Стиглість деревостанів та наукові основи прогнозу використання деревних ресурсів у лісах різного функціонального призначення

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

СТИГЛІСТЬ ДЕРЕВОСТАНІВ ТА НАУКОВІ ОСНОВИ ПРОГНОЗУ ВИКОРИСТАННЯ ДЕРЕВНИХ РЕСУРСІВ У ЛІСАХ РІЗНОГО ФУНКЦІОНАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

06.03.02 - лісовпорядкування та лісова таксація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора сільськогосподарських наук

Гірс Олександр Анатолійович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України.

Науковий консультант - доктор сільськогосподарських наук, професор Швиденко Анатолій Зіновійович, Міжнародний інститут прикладного системного аналізу (ІІАSА, м. Лаксенбург, Австрія), провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор Юхновський Василь Юрійович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, директор НДІ лісівництва та декоративного садівництва

доктор сільськогосподарських наук, доцент Миклуш Степан Іванович, Державний ВНЗ “Національний лісотехнічний університет України”, декан лісогосподарського факультету, професор кафедри лісової таксації та лісовпорядкування

доктор сільськогосподарських наук, професор Ткачук Володимир Ілліч, Житомирське обласне управління лісового та мисливського господарства, начальник

Захист відбудеться “3” лютого 2010 року 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 ознайомитись в бібліотеці Національного університету біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28

Автореферат розісланий “_24_ ” грудня 2009 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.Г. Лащенко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обґрунтування стиглості деревостанів основних лісоутворювальних деревних порід у лісах України і, перш за все, соснових та дубових насаджень, як найцінніших та найбільш представлених у лісовому фонді країни, є одним з основних завдань, пов'язаних із розробленням системи регулювання розміру використання лісових ресурсів. При цьому, в зв'язку з інтеграцією України у світовий ринок лісоматеріалів, особливої уваги слід приділити вивченню господарської стиглості лісу, пов'язаної з цінами на сортименти відповідної якості та розмірів, а також розробленню нових підходів щодо застосування технічної стиглості лісу в деревостанах різної продуктивності. Недосконалість та недостатня диференційованість віків стиглостей деревостанів у лісах України, в першу чергу відповідно до їх бонітетів і типів лісу, а також походження насаджень, негативно відбивається на ефективності лісовикористання.

Проблема комплексного використання лісових ресурсів є однією з найважливіших у лісовому господарстві, бо вона пов'язана з тією обставиною, що найбільш важливе значення лісів виявляється в соціальній та екологічній сферах. Тому організація лісового господарства, спрямована на посилення природоохоронних функцій лісу в цілому та такого його основного елемента, як лісовикористання зокрема, в сучасних умовах набуває все більшої ваги.

Першочергового значення для формування лісової політики галузі на перспективу має прогнозування розміру розрахункової лісосіки та якісної структури заготовленої деревини, особливо за необхідності поступової оптимізації площ лісогосподарського призначення за породним складом і віковою структурою лісів та залучення до лісовикористання лісових ділянок, виключених з експлуатації категорій захисності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи є складовою основного напряму досліджень кафедри лісової таксації та лісовпорядкування НУБіП України. Виконувалася робота під час навчання в докторантурі НУБіП України (2005-2008), а також за 1996-2009 рр. у рамках таких науково-дослідних тем: “Розробити теоретичні основи, методичне і нормативно-інформаційне забезпечення системи кадастрової оцінки лісосировинних ресурсів та їх раціональне використання в умовах ринкової економіки” (1996-2000 рр., номер державної реєстрації 0196U013080); “Розробити удосконалені нормативи комплексного обліку лісосировинних ресурсів, стиглості лісу та економічної оцінки земель лісового фонду” (1998-2002 рр., номер державної реєстрації 0198U004078); “Розробити уніфіковане методичне та нормативно-інформаційне забезпечення системи комплексного обліку лісосировинних ресурсів України” (2003-2007 рр., номер державної реєстрації 0103U005907); “Оптимізація вікової структури деревостанів лісопарків міста Києва, їх екологічної, природоохоронної та оздоровчої ролі в навколишньому середовищі й підвищення технічної якості деревини” (2005-2007 рр., номер державної реєстрації 0105U007743); “Розробити теоретичні основи, нормативно-інформаційне та алгоритмічне забезпечення системи регулювання розміру головного користування лісом” (2008-2012 рр., номер державної реєстрації 0108U000888), до виконання яких дисертант залучався як відповідальний виконавець та виконавець окремих розділів.

Мета і завдання дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є на засадах системного підходу обґрунтування віку стиглості деревостанів, розробка наукових основ довгострокового природоохоронного використання деревних ресурсів у лісах різного функціонального призначення та розрахунок економічного ефекту від запропонованої організації лісогосподарського виробництва. Для досягнення сформованої мети виникла необхідність вирішення наступних завдань:

- розробити методологічні і методичні основи з обґрунтування віку стиглості деревостанів;

- зібрати необхідний дослідний матеріал у перестійних соснових рекреаційно-оздоровчих лісах;

- на основі вивчення особливостей будови, фаутності та повнодеревності стовбурів і деревостанів доповнити наявну та розробити відсутню нормативно-довідкову базу розмірно-якісної структури дерев і насаджень, а також нормативи динаміки товарної структури деревостанів основних лісоутворювальних деревних порід;

- провести багатоваріантні розрахунки віку кількісної, технічної, якісної та господарської стиглостей лісу, на основі яких запропонувати проект віку стиглостей деревостанів основних лісоутворювальних деревних порід;

- за обґрунтованими віками стиглості деревостанів розрахувати на довгострокову перспективу обсяг та структуру запасу ліквідної деревини від рубок головного користування для лісів Держкомлісгоспу України;

- виявити резерви підвищення продуктивності лісових земель, обсягів лісовикористання та економічного ефекту від запропонованої організації лісогосподарського виробництва.

Об'єкт дослідження - стиглість лісу та динаміка товарної структури деревостанів основних лісоутворювальних порід.

Предмет дослідження - основні види стиглостей деревостанів в лісах різного функціонального призначення та прогноз використання деревних ресурсів.

Методи дослідження. Наукові дослідження проводились із застосуванням системного підходу як базового методичного принципу. При цьому розглянуті в роботі питання природокористування, зокрема лісокористування та організації ведення лісогосподарської діяльності, були ув'язані з відповідними аспектами екологічного підходу. На базі сучасних інформаційних технологій та комп'ютерної техніки були використані такі статистичні, лісівничі та лісотаксаційні методи досліджень, як математичне моделювання, перелікова таксація, множинний кореляційний та регресійний аналізи. Перевірка і порівняння отриманих результатів також здійснювалося графічним та аналітичним способами.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше на засадах системного підходу розроблено:

1. Нові підходи у запропонованому проекті “Вік стиглості деревостанів” щодо диференціації господарських секцій за продуктивністю, походженням та деякими іншими показниками.

2. Довгострокові сценарії лісовикористання на принципах збереження природоохоронної функції лісів та посилення використання їх корисностей.

3. Прогнозні оцінки економічного ефекту від лісовикористання за різними віками стиглості деревостанів у лісах України (у т.ч. для дубових насіннєвих деревостанів - на 160-річний період).

Крім того, автором вперше запропоновано:

- призначати рубки головного користування в дубових насіннєвих експлуатаційних лісах у віці їхньої господарської стиглості (розраховується за уточненими нормативами динаміки товарної структури деревостанів);

- грубу деревину таких деревних порід як сосна та дуб розділяти за категоріями (для дуба на три категорії з градацією в 25,0-34,9; 35-48,9 та 49 см і більше, для сосни - на дві з градацією в 25,0-34,9 та 35 см і більше);

- під час обґрунтування обсягів лісовикористання додатково обчислювати контрольну розрахункову лісосіку, яка гарантує рівномірність лісокористування на 20-річний період і, в окремих випадках, забезпечує найшвидший перехід до нормальної лісосіки;

- здійснювати поступовий перехід до оптимальних віків стиглості через уточнені в проекті віки стиглості для деревостанів окремих деревних порід, що дозволить враховувати на перехідному етапі як природоохоронні, так і лісоексплуатаційні інтереси суспільства.

Удосконалено для дубових та соснових деревостанів таблиці розмірно-якісної структури дерев і насаджень (сортиментні й товарні таблиці), а також таблиці динаміки їхньої товарної структури даними виходу грубої ділової деревини за категоріями та сортами.

Поглиблено методику розрахунку віку технічної і господарської стиглостей деревостанів. Доведено, що використання у розрахунках запасів грубої ділової деревини за категоріями, а також цін на цю деревину, дозволить підвищити точність визначення віку технічної і господарської стиглостей лісу, особливо для дубових деревостанів насіннєвого походження.

Одержало подальший розвиток дослідження закономірностей таксаційної будови насаджень основних лісоутворювальних деревних порід і, насамперед, розподілу діаметра в чистих і мішаних деревостанах на основі системного аналізу масивів даних таксації пробних площ та іншої первинної інформації.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень, що полягають в обґрунтуванні віків стиглостей деревостанів основних лісоутворювальних порід у лісах України, використанні нових підходів щодо диференціації господарських секцій та організації господарств, довгострокових прогнозних розрахунків лісокористування та розробці відповідної нормативно-довідкової бази для матеріально-грошової оцінки запасу деревостанів, впроваджено ВО “Укрдержліспроект” у виробництво.

Київським комунальним об'єднанням зеленого будівництва та експлуатації зелених насаджень міста “Київзеленбуд” використовуються результати досліджень, пов'язані з оптимізацією лісокористування та розробленням нормативного забезпечення системи матеріальної оцінки деревини в перестійних соснових деревостанах лісопаркових господарств.

Результати дисертаційної роботи О.А. Гірса, пов'язані з прогнозними розрахунками лісовикористання та оцінці його ефективності для дубових лісів, а також втілені у проекті “Вік стиглості деревостанів” (за редакцією Ткача В.П.) розрахунки стиглостей лісу використовуються Державним комітетом лісового господарства України у виробничому процесі та мають істотне значення для формування виваженої лісової політики галузі.

Одержані результати досліджень мають теоретичне й практичне значення і застосовуються в навчальному процесі у вищих навчальних закладах освіти ІІІ-ІV рівнів акредитації зі спеціальності “Лісове господарство”: “Лісовпорядкування”, “Спеціальні види впорядкування лісів”, “Парковпорядкування”, “Впорядкування захисних лісів”, “Впорядкування мисливських угідь” та ін.

Особистий внесок здобувача. Автору належить постановка проблеми, визначення мети і завдань досліджень, збір значної частини дослідного матеріалу та його обробка, розробка й узагальнення теоретичних і практичних положень роботи, ним особисто написано і оформлено текст дисертації, а також обґрунтовано висновки за результатами досліджень.

Особистий внесок автора передусім визначається викладеними в дисертаційній роботі науковими результатами, котрі полягають в удосконаленні нормативів розмірно-якісної структури дерев та насаджень для дубових і соснових деревостанів, розробці нормативів динаміки товарної структури деревостанів, обґрунтуванні віку стиглості деревостанів основних лісоутворювальних порід для експлуатаційних та інших включених в експлуатацію категорій лісів, довгострокових прогнозних оцінок лісокористування та визначення його ефективності в лісах України.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися на 11 наукових конференціях, у тому числі: на 4 міжнародних (Гомель, 1991; Київ, 2000, 2002, 2006), та 7-ми вузівських (Київ, 1999, 2004, 2007-2009; Харків, 2001; Львів, 2008). Дисертант також брав участь та озвучив результати досліджень на семінарах-нарадах, присвячених розробці проекту “Вік стиглості деревостанів” (Харків, 2006; Київ, 2007).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 29 праць, у тому числі 23 наукові роботи - у фахових виданнях, які внесено у перелік, затверджений ВАК України: 5 наукових робіт у журналах та 18 - у збірниках наукових праць.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, пропозицій виробництву, 18 додатків та списку використаних джерел із 575 найменувань (з них 47 латиницею). Матеріали дисертаційної роботи викладено на 357 сторінках комп'ютерного тексту, у т.ч. основний текст - на 282 сторінках. Робота містить 59 таблиць та 30 рисунків. Додатки до роботи винесено в окремий том обсягом 262 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Теоретичні та методичні принципи встановлення віку стиглостей лісу та розміру використання деревних ресурсів. Ліси України відносяться до континентальних лісів помірної зони. Лісистість у різних природних зонах України має значні відмінності й не досягає оптимального рівня, за якого ліси найбільш позитивно впливають на клімат, ґрунти, водні ресурси, а також забезпечують одержання більшої кількості деревини.

Особливості окремих частин території України стосовно їхніх фізико-географічних та економічних умов, знайшли своє відображення у лісогосподарському районуванні, де значний вклад внесли С.А. Генсірук (1992), П.С. Пастернак (1980) та інші дослідники.

На півночі республіки (зона Українського Полісся) переважають соснові, рідше березові чи вільхові ліси, в центральній її частині (Лісостеп) - широколистяні з домінуванням дуба, а на півдні (Степова зона) - байрачні ліси та степові переліски з переважанням липи та акації. На Україні існують також гірські ліси Криму та Українських Карпат. У Карпатах виділяють три основні пояси лісової рослинності: передгірський з перевагою дуба, нижньогірський, де переважають букові ліси, та високогірний з перевагою темнохвойних лісів.

У лісовому фонді України переважають такі лісоутворювальні деревні породи, як сосна (Pinus silvestris L.), дуб (Quercus robur L.), бук (Fagus silvatica L.), ялина (Рісеа abies (L.)Karst.), береза (Betula pendula Roth.), вільха (Alnus glutinosa (L.) Gaerth.), ясен (Fraxinus excelsior L.), граб (Carpinus betulus L.), осика (Populus tremula L.). Під хвойними насадженнями знаходиться 42% загальної площі, зокрема під сосновими - 33%. Твердолистяні насадження становлять 43%, у т.ч. дубові і букові - 32%.

Понад 80% деревостанів України зростають за ІІ класом бонітету і вище та мають повноту не нижче 0,7, однак вікова структура лісового фонду далека від оптимальної. Поділ лісів на вікові групи не забезпечує достовірних оцінок через велику кількість віків стиглостей деревостанів для однієї й тієї ж породи. Тому в основу обліку лісового фонду слід покласти розподіл лісів за класами віку.

У Держкомлісгоспі України середній запас на 1 га пристигаючого лісу (301 м3) переважає запас стиглого і перестійного (254 м3). Це свідчить про занадто велику інтенсивність прохідних рубок, внаслідок яких у рубку головного користування призначаються соснові та дубові деревостани з середньою повнотою 0,5-0,6. Якщо за останні півстоліття середній запас лісів України на 1 га виріс з 98 м3 до 229 м3, то запас стиглого і перестійного лісу практично не змінився, зостаючись на цифрі 250 м3·га-1, що свідчить про значні недоліки в організації та проведенні використання лісових ресурсів.

Організація раціонального лісовикористання починається з вивчення деревостанів, на запас і товарність яких впливають такі фактори, як вік насаджень, їх відповідність лісорослинним умовам, режим лісовирощування, мета і напрям ведення лісового господарства, вогнища шкідників та хвороб тощо.

Питання наявності та поширення вад деревини були пріоритетними для таких відомих дослідників, як О.Г. Мошкальов (1982), П.М. Вєрхунов (1980), В.С. Чуєнков (1960), І.В. Сємєчкін (1964) та ін. У зв'язку із глобальними змінами клімату на Землі відбуваються також істотні зміни в товарній структурі багатьох лісоутворювальних деревних порід (посилення явища всихання соснових і дубових деревостанів, збільшення пошкоджень гнилями букових та похідних ялинових лісів, порослевих вільшаників тощо). Тому дослідження товарної структури дерев і деревостанів повинні періодично повторюватись.

Поняття “стиглості лісу” ще в ХІХ столітті почав широко використовувати в своїх працях Ф.К. Арнольд (1897). Однак найзначніший вклад у розробку теорії стиглостей лісу вніс М.М. Орлов (1925, 1928), розуміючи під стиглістю лісу такий його стан, за якого ліс найповніше відповідає меті господарства, тобто найбільшою мірою задовольняє потреби господарства у конкретних сортиментах деревини або виявляє свої корисні властивості. Пізніше цим питанням займалися Г.П. Мотовілов (1951), Є.Я. Судачков (1958), М.І. Трубніков (1914), М.П. Анучін (1960), К.Є. Нікітін (1968), В.Ф. Багінскій (1996) та багато інших дослідників. За Г.П. Мотовіловим (1951), всі види стиглості можуть бути поділені на дві групи: біологічні (природна, відновлювальна та фізіологічна) й економічні (кількісна, технічна, господарська, якісна тощо). У даній роботі розглянуто основні економічні види стиглостей деревостанів.

У науковій літературі до сих пір дискутується питання про те, як визначати кількісну і технічну стиглість - за наявним запасом чи за загальною продуктивністю деревостанів. Прихильниками першої пропозиції можна вважати Ф.К. Арнольда (1897), Г.П. Мотовілова (1951), Ф.П. Моісєєнко (1958), другої П.В. Воропанова (1970), М.М. Свалова (1979), В.Ф. Багінского (1996) тощо. Обидві пропозиції мають як позитивні, так і негативні аспекти. У цілому ж розрахунки кількісної і технічної стиглостей за загальною продуктивністю забезпечують на 5-15 років більш високі віки стиглості порівняно з розрахунками за запасом наявного деревостану. У зв'язку з складністю отримання об'єктивних даних щодо товарної структури запасу деревини від рубок догляду та природного відпаду, а значить, і розробки достовірних нормативів динаміки товарності за загальною продуктивністю деревостанів, автор надав перевагу пропозиції визначати стиглість лісу за наявним запасом насаджень.

Відповідно до Лісового кодексу України (2006), вік стиглості деревостанів визначається, виходячи з основного цільового призначення лісів, функцій, які вони виконують, продуктивності, біологічних особливостей деревних порід, лісорослинних умов, природних зон, а також способів відновлення лісу.

Суть поняття технічної стиглості деревостанів істотно змінювалося протягом ХХ століття. Так, на вік технічної стиглості насамперед впливає середній діаметр провідного сортименту, повнота насадження. Також слід враховувати мінімальний вік насаджень, з настанням якого фізико-механічні властивості деревини набувають необхідних параметрів. Автор погоджується з В.В. Антанайтісом та В.В. Загрєєвим (1969), які вважали, що в сучасних умовах, коли всі заготовлені у лісі сортименти мають збут, вік технічної стиглості слід встановлювати не за провідними сортиментами, а за категоріями крупності ділової деревини.

Найточніше технічну стиглість деревостанів визначають за даними пробних площ, спеціально закладених у процесі лісовпорядних робіт. Однак автор, з-за трудомісткості даного способу, вік технічної стиглості встановлював за таблицями динаміки товарної структури деревостанів, котрі розроблялися за цільовими програмами лісовирощування або нормативами ходу росту насаджень, сортиментними таблицями та динамікою розподілу стовбурів за діаметром.

Нікітін К.Є. (1968) пропонує визначати вік кількісної (технічної) стиглості за точкою перегину математичної моделі функції динаміки середнього приросту деревостану за запасом (запасом провідних сортиментів), коли її похідна прирівнюється до нуля. З метою зближення даних математичної моделі та реальних значень динаміки середнього приросту різні дослідники пропонують моделювати динаміку середнього приросту деревостану за запасом лише на невеликому віковому діапазоні росту насадження (20-30 років), в якому значення його середнього приросту за запасом досягає максимуму. Так, В.Ф. Багінскій (1996) пропонував описувати динаміку середнього приросту провідних сортиментів рівнянням 3-го порядку із встановленням його екстремумів, котрі й будуть віком відповідних стиглостей, а Ю.Й. Каганяк (2008) - досліджувати зміну різниці поточного та середнього приростів тощо.

Указані методи мають орієнтовно однакову точність і їх також можна застосовувати для визначення віку господарської стиглості деревостанів, використовуючи при цьому не матеріальні, а грошові показники.

Абрамович К.К. (1970) пропонує визначати вік технічної стиглості не за віком, а за відповідним середнім діаметром, по досягненні якого деревостан може бути призначеним у рубку. Такий діаметр у науковій літературі було прийнято називати цільовим. Пам'ятаючи про значну мінливість діаметрів дерев, В.Ф. Багінський та Л.Д. Єсімчик (1996) пропонують призначати вік рубок за цільовим діаметром за необхідності диференціації деревостанів за повнотою і рівнем продуктивності, а також наявності математичних моделей залежності середнього діаметра від віку, бонітету та повноти. На думку автора, запропонована вище методика призначення віку головних рубок за цільовим діаметром є цікавою з наукової точки зору, однак її практичне застосування на даний момент часу стикається зі значними проблемами в організації і веденні лісового господарства, законодавчою базою тощо.

Принцип неперервного, невиснажливого та рівномірного користування лісом, що полягає у встановленні рівноваги між розміром щорічної рубки лісу та величиною його річного приросту при безпосередньому поновленні лісу зразу після його рубки, ще на початку ХІХ століття оприлюднив у своїх працях німецький лісовод Г.Ф. Гартіг. В Україні найпоширенішими є метод класів віку О.Ф. Рудзкого (1888), а також ділянковий метод лісовпорядкування, який застосовується в рекреаційних та деяких інших категоріях лісів. На думку М.П. Анучіна (1982), об'єктом періодних методів є ліс на значній території, методи класів віку та ділянковий тією чи іншою мірою враховують кожне насадження, а метод контролю поточного приросту базується на обліку окремих дерев та їхніх сукупностей.

Методи лісовпорядкування відрізняються, передовсім, принципами розрахунку користування лісом, основою яких може бути або площа, або запас, або приріст, або поєднання цих елементів.

З іншого боку, існують конкретні способи розрахунків щорічного лісовикористання під назвою відповідних розрахункових лісосік. На даний момент існує не менше сотні способів визначення розрахункових лісосік. Значна їх кількість розглядається в роботах М.П. Анучіна (1960), О.Г. Мошкальова (1974, 1982), В.В. Антанайтіса (1969), В.В. Загрєєва (1990), С.Г. Сініцина (1973, 1987), М.А. Моісєєва (1999), М.М. Свалова (1979). Усі вони базуються на схемі нормального лісу, бо мають за мету досягнення безперервності та рівномірності у лісокористуванні.

Чинною в Україні “Методикою визначення розрахункової лісосіки” (2000), основними способами розрахунку головного користування вважаються нормальна, перша вікова, друга вікова та раціональна лісосіка, а також лісосіка за станом. Ефективність застосування кожної з цих лісосік щодо оптимізації лісокористування залежить від конкретної вікової структури насаджень.

Суть ідеї раціональної лісосіки полягає у встановленні такої розрахункової лісосіки, величина якої, забезпечуючи залучення до рубки тільки стиглих та перестиглих насаджень, не спадала б із часом (Кашпор С.М., 2004). Ця пропозиція вперше була висловлена В.К. Поляковим (1972), а потім отримала свій подальший розвиток у роботах В.В. Комкова (1981), В. Антанайтіса, Р. Дялтуваса (1981) тощо. З ініціативи К.Є. Нікітіна, в лісовпорядне проектування вона увійшла під назвою раціональної лісосіки і розраховується за формулою

(1)

де номери циклів розрахунку; Si площі насаджень і-го класу віку (і=1,..., n); Д - протяжність класу віку; m - початковий клас віку головної рубки.

Раціональна лісосіка у найкоротший період забезпечує перехід до нормальної лісосіки, однак сприяє деякому нагромадженню перестиглого лісу впродовж обороту рубки.

Розроблено багато комп'ютеризованих моделей і систем, які дозволяють генерувати й порівнювати довгострокові сценарії лісовикористання і пов'язане з ними відтворення лісів, однак в Україні вони поки що не набули поширення.

Розділ 2. Методологічні основи досліджень, методика збору та характеристика дослідного матеріалу. У філософії поняттям “Методологія” називається вчення про способи організації і побудови теоретичної та практичної діяльності людини. Отже, методологічний рівень пов'язаний з філософсько-світоглядними та визначальними науково-пізнавальними засадами дослідження. В дисертаційній роботі методологічний рівень досліджень реалізується екологічним та системним науковими підходами.

Екологічний підхід полягає у міждисциплінарному застосуванні пізнавального співвідношення “господар - дім”, яке стало загальнонауковим (Лавров В.В., 2003). Розвиток суспільства повинен базуватися на балансі економічних, соціальних та екологічних цінностей, а природокористування має бути екосистемно організованим, збалансованим і законодавчо обмеженим природоохоронними нормами. Тому питання розрахунку лісовикористання та організації ведення лісогосподарської діяльності, котрі розглядаються в дисертаційній роботі, обов'язково мають спиратися на відповідні аспекти екологічного підходу.

Основними завданнями системного підходу є опрацювання засобів пізнавального представлення дослідних об'єктів як цілісних систем, що складаються з сукупності взаємопов'язаних елементів, побудова узагальнених моделей цих систем та дослідження різних системних концепцій та опрацювань. Визнання факту системної організації Біосфери (ієрархія взаємозв'язаних екосистем) зумовило вибір системного підходу як базового методичного принципу під час вивчення питань взаємодії суспільства і природи та запровадження в життя ідей сталого природокористування.

Враховуючи багатоплановість роботи, що виконується, системний підхід передбачає необхідність комплексного вивчення таких взаємозв'язаних явищ, як будова за діаметром та товарна структура деревостанів, особливості будови за елементами лісу мішаних насаджень, проект стиглостей деревостанів у лісах різного функціонального призначення.

У процесі виконання дисертаційної роботи дослідженнями були охоплені соснові, ялинові, дубові, ясеневі, грабові, березові, вільхові та осикові деревостани Полісся і Лісостепу, смерекові та букові насадження Українських Карпат, котрі становлять понад 90 % загальної площі та запасу лісів України з переважанням цих деревних порід. Крім того, до перерахованих вище деревних порід слід додати поширені на Поліссі та в Лісостепу мішані березово-соснові та грабово-ясенево-дубові насадження, дослідження в яких зумовлено потребою вирощування високопродуктивних, біологічно стійких лісостанів, котрі відповідають корінним для даних лісорослинних умов типам лісу.

Програмою досліджень передбачено теоретичне обґрунтування та розробку проекту віків стиглості деревостанів, а також проведення прогнозних довгострокових розрахунків лісовикористання в лісах різного функціонального призначення.

Для більш чіткого усвідомлення всієї сукупності передбачених програмою досліджень методичних та аналітичних завдань розроблена загальна схема моделі досліджень (рис. 1) з обґрунтування віків стиглостей деревостанів в експлуатаційних лісах України, доповнену блоком для перестійних деревостанів з виходом на рекомендації щодо оптимізації віків стиглостей насаджень у рекреаційних лісах та блоком досліджень у мішаних деревостанах, кінцевим результатом яких стали нормативи динаміки їх товарної структури. Модель є відкритою і може бути доповнена іншими дослідженнями, наприклад, комплексною моделлю лісовикористання тощо.

За вихідну інформацією досліджень слугували матеріали відведення і таксації лісосік у виробничих умовах (близько 2,0 тис. переліків) та матеріали пробних площ (629 шт.), закладених у пристигаючих, стиглих і перестійних деревостанах, зосереджені в базі науково-дослідних даних кафедри лісової таксації та лісовпорядкування НУБіП України. В процесі виконання робіт з різних тематик протягом 1976-2007 рр. автор безпосередньо брав участь у закладанні пробних площ та керував збором інших дослідних даних у соснових, ялинових, букових, березових та осикових деревостанах, а також перестійних сосняках лісопаркових господарств. Усього під керівництвом та за безпосередньої участі автора було закладено близько 150 пробних площ.

Закладання пробних площ для вивчення розмірно-якісної структури стиглих деревостанів здійснювалося в ареалах відповідних деревних порід за методикою, описаною в ОСТ-56-69-83, а перестійних сосняків рекреаційно-оздоровчих лісів України - за галузевим стандартом організацій України “Площі пробні лісовпорядні. Метод закладання” (2007), розробленим за участю автора. Останній стандарт є більш деталізованим та враховує сучасні вимоги до розмірно-якісної структури деревостанів.

Обробка дослідного матеріалу проводилася сучасними методами з використанням прикладних програм кафедри лісової таксації та лісовпорядкування (ПЕРТА, РЕГАНА, ROZLIS, Шарльє, БУДОВА та інші, у тому числі й розроблена автором програма БЕТА-розподіл), а також загальновідомих програм Exel 8.0 пакета MS Officee, SPSS 10.0.5 та Statistica, котрі дозволяють якнайповніше проводити статистичну обробку даних.

Дослідний матеріал та його кількість повною мірою відображають експлуатаційні ліси України з переважанням основних лісоутворювальних порід, а також рекреаційні соснові деревостани перестійного віку.

Розділ 3. Теорія таксаційної будови насаджень та моделі розподілу діаметра в чистих і мішаних деревостанах. Теорію будови деревостанів на сучасному етапі можна розглядати як конкретний випадок статистичної теорії розподілів у застосуванні до насаджень. Як зазначає А.З. Швиденко (1981), це закономірності розподілу, зв'язку та мінливості таксаційних ознак деревостанів, без моделювання яких неможливо розробити сучасні нормативи товарності та динаміки товарної структури для основних лісоутворювальних порід України. Тому й виникла необхідність вивчення даного питання.

Над вивченням будови деревостанів лісівники працюють з кінця ХІХ століття, коли V. Weize (1880) дійшов висновку, що середнє за діаметром дерево займає у ранжированому ряді досить-таки стійке положення. Слід також відмітити праці А. Шиффеля (1903), Г.Р. Ейтінгена (1918), О.В. Тюріна (1938), М.В. Трєтякова (1927) та ін. У наступному було виявлено, що закономірності розподілу дерев тією чи іншою мірою залежать від багатьох показників деревостанів: віку (Свалов М.М., 1994; Багінскій В.Ф., 1984), повноти (Макаренко А.А., 1979), походження (Успєнскій В.В., 1974), складу (Чуєнков В.С., 1960), режиму господарювання (Нікітін К.Є., 1966; Антанайтіс В.В., 1977; Загрєєв В.В., 1975).

На основі порівняння різних моделей розподілів (Шарльє, Вейбулла, Пірсона-1 та бета-розподіл) автором виявлено, що перевагу слід надавати бета-розподілу. Так, перевірка дослідного матеріалу за каппа-критерієм показала, що 78% соснових та дубових, а також майже 90% березових насаджень можуть бути описані бета-розподілом (к < 0). Орієнтовно такі ж результати були отримані під час оцінки відповідності фактичного розподілу кількості стовбурів за діаметром у соснових деревостанах теоретичному бета-розподілу з використанням критерію згоди ч2 .

Як свідчать дані табл. 1, в якій наведено фрагмент статистик розподілу числа стовбурів за діаметром для соснових, дубових і березових деревостанів, розподіли кількості стовбурів за діаметром в насадженнях всіх вищеозначених деревних порід, особливо дуба, характеризуються додатною асиметрією (“шлейф” справа) та ексцесом (крутістю) порівняно з нормальним розподілом.

Оскільки кількість розподілів по кожній породі складає від 209 до 235, то для цих масивів з імовірністю 0,95 критичні значення асиметрії знаходяться в межах ± 0,26ч0,27, а ексцесу - 0,48ч0,56.

Наведені в табл. 1 статистики для сосни (А=0,25 та Е=0,05) поступаються критичним значенням, для дуба - їх переважають, а для берези по асиметрії переважають, а по ексцесу поступаються. Отже, розподілом Грама-Шарльє можна користуватися для моделювання будови за діаметром соснових деревостанів, тоді як у дубових та березових насадженнях нормальний розподіл стовбурів за діаметром може бути відсутнім.

Моделювання будови насаджень здійснювалося наступним чином: на основі переліків загальної, ділової та дров'яної частки деревостанів за ступенями товщини для масивів деревних порід за програмою STRUC визначалися для окремих насаджень показники їх таксаційної будови, за якими у подальшому проводилося математичне моделювання параметрів будови деревостанів.

Таке моделювання на прикладі перестійних сосняків описано формулами:

де P' частка ділових дерев у насадженні (за функцією Мічерліха), %;

D середній діаметр насадження, см;

V мінливість розподілу діаметра, %;

V' відношення мінливості діаметра для ділової та загальної частин;

V" відношення мінливості розподілу діаметра деревостану для його дров'яної та загальної частин насадження;

R1 та R2 відносні значення (початкове та кінцеве) розподілу діаметра.

Частка ділових стовбурів (%) у деревостанах моделювалася, як правило, за функцією Мітчерліха (сосна, ялина, граб), Томазіуса (дуб, бук, ясен, береза, осика) або параболою 2-го степеня (вільха). Мінімальне редукційне число (R1) моделювалося в прямій залежності від діаметра деревостану, а максимальне (R2) та мінливість діаметра (V) - параболою 2-го степеня. Моделювання відносної мінливості ділової (V') і дров'яної (V'') частини насадження від частки ділових стовбурів у деревостані здійснювалося застосуванням степеневої функції або експоненціального рівняння виду а1 + а2 EXP(а3P') .

Моделювання розподілу діаметра для деревостанів з середнім діаметром 32 см (сосна, ялина, дуб, бук, ясен) та 24 см (інші породи), найбільш широкі ряди, причому зі зміщенням значної кількості стовбурів у найтонші ступені мають ялинові та букові деревостани, що пояснюється їх тіневитривалістю. Дубові насадження посідають проміжне положення, тоді як найбільш світлолюбні соснові та ясеневі деревостани мають дещо вужчі ряди з накопиченням найбільшої кількості стовбурів у центральних ступенях товщини (максимальна кількість дерев зміщена на ступінь вліво відносно середнього діаметра деревостану). Деревні породи низькостовбурних господарств досить-таки подібні за своєю будовою. Ряди дещо звужуються, а їхня крутість певною мірою збільшується в порядку: береза, осика, вільха, граб, причому пік загальної кількості стовбурів припадає на 20-у ступінь товщини.

Перестійні сосняки рекреаційних лісів, як правило, мають другий ярус, який складається з 50-70-річних дерев сосни, котрі зростають за ІІІ-ІV розрядами висот, тоді як дерева першого ярусу в цих насадженнях ростуть за І-ІА розрядами висот. Тому об'єднання двох ярусів в один з наступною таксацією другого ярусу за більш високим розрядом призводить до завищення запасу останнього в середньому на 27-28%. Ще більш негативними є наслідки об'єднання двох ярусів при вивченні будови насаджень, навіть коли другий ярус за запасом не перевищує 30 м3·га-1 (з'являються двовершинні розподіли числа стовбурів за діаметром, істотно знижується середній діаметр деревостану). Щоб уникнути цих помилок, пропонується у польових або камеральних умовах виділяти окремо другий ярус.

Порівняння розподілів діаметра стиглих та перестійних соснових деревостанів з однаковими середніми діаметрами показало значущу різницю в їхній будові (перестійні сосняки мають меншу відносну мінливість за діаметром та вужчі ряди за редукційними числами), що пояснюється інтенсивним випаданням із віком у деревостанах найменших (вони швидше достигають та сильніше пошкоджуються шкідниками і хворобами), та найбільших (розхитуються вітром) дерев.

Автором дисертаційної роботи під час дослідження мішаних деревостанів у зв'язку з більшою диференціацією дерев на ділянці встановлено ширший розмах ряду розподілу діаметра дерев за ступенями товщини для кожної із складових порід.

Розділ 4. Динаміка товарності деревостанів як нормативно-інформаційна основа встановлення їх віків стиглостей. Одним з перших прикладів доповнення таблиць ходу росту даними, що характеризують зміну товарності насаджень, є виконана у 1940 році робота Ф.П. Моісєєнка, в якій наведена динаміка товарності чорновільхових деревостанів. В Україні дещо пізніше подібні нормативи були розроблені М.В. Давидовим (1958, 1969), К.Є. Нікітіним (1966) тощо. Слід відмітити, що нормативи динаміки товарної структури деревостанів періодично потребують адаптації до сучасних вимог.

За дослідженнями В.Ф. Багінского (1996), за всіх інших однакових таксаційних показників насаджень, різниця в середніх діаметрах стиглих низькоповнотних та високоповнотних деревостанів становить 2-7 см, залежно від їх породи і бонітету. Однак за рахунок більшого збігу стовбурів, які зростають у насадженнях нижчої повноти, різниця у віці технічної стиглості даних категорій насаджень не настільки значна, як цього можна було б очікувати, і, як правило, не перевищує 10-річного класу віку. Отже, нормативи динаміки товарної структури можна розробляти на основі таблиць ходу росту як цільових, так і модальних або нормальних деревостанів.

Нормативи об'єму стовбурів потребують додаткових досліджень, так як є складовою частиною сучасних сортиментних таблиць. Одними із найперших об'ємних нормативів були опубліковані у 1804 році масові таблиці Г.Ф. Гартіга. Над питаннями, пов'язаними з об'ємом, повнодеревністю та збіжистістю стовбурів основних деревних порід працювали А.А. Крюденер (1913), A. Schiffel (1903), M. Prodan (1961), В.К. Захаров (1964), Г.Б. Кофман (1986), А.А. Кулєшис (1989), Д.І. Товстолєс (1931) та багато інших дослідників.

Автором шляхом статистичного аналізу масивів середньовікових, стиглих та перестійних дерев сосни обґрунтована необхідність розробки об'ємних таблиць за групами віку, що також підтверджується істотними відмінностями у повнодеревності стовбурів різних вікових груп.

Встановлено, що об'єм вибірки в насадженнях, необхідної для оцінки з 2% точністю (за ймовірності 0,95) збігу діаметрів у вузлових точках стовбурів, а також математичного моделювання твірної деревних стовбурів, має становити у кожній віковій групі соснових деревостанів близько 50 модельних дерев сосни.

Об'єм, повнодеревність та збіг стовбурів можуть бути визначені математичним моделюванням їх твірної, вираженої одним або кількома рівняннями (за числом зон, на які розбивають стовбур). Автором для моделювання твірної використовувався поліном 5-го степеня, котрий забезпечував достатню точність досліджень за умови обов'язкової графічної перевірки отриманих результатів.

Дослідженнями не виявлено залежності збігу стовбурів від розряду висот, однак простежується зв'язок математичної моделі твірної від діаметра дерева на висоті грудей. В межах однієї породи видові числа стовбурів за однакових діаметра та висоти для середньовікових насаджень перевищують їх значення для стиглих деревостанів, причому особливо значною є різниця для маломірних дерев.

Математична модель (4) залежності видових чисел перестійних стовбурів сосни від їх діаметра, використана в сортиментних таблицях для перестійних сосняків у рекреаційно-оздоровчих лісах, має наступний вигляд

При відведенні лісосік у рубку головного користування, під час обов'язкової рубки дев'яти дерев основної породи, для розрахунку другого коефіцієнта форми стовбура автором пропонується вимірювати також діаметри у корі на середині цих стовбурів, що слугуватиме за контрольний метод точності відводу лісосік у рубку за запасом.

Над розробкою сортиментних таблиць працювали Д.І. Товстолєс (1931), Б.О. Шустов (1931), В.К. Захаров (1957), М.В. Трєтьяков (1937), П.В. Горскій (1962), Ф.П. Моісєєнко (1959), М.П. Анучін (1981), К.Є. Нікітін (1984) та інші дослідники.

В сучасних умовах викликає інтерес розробка сортиментних таблиць за започаткованою К.Є. Нікітіним та А.З. Швиденком методикою кафедри лісової таксації та лісовпорядкування НУБіП України, яка у подальшому була доповнена Я.А. Юдицьким (1985) методом імітаційного моделювання - для визначення сортної структури окремого дерева за допомогою випадкового процесу, розвинутим О.В. Поляковим (1999) щодо промислової сортиментації лісосічного фонду лісогосподарського підприємства.

Під час проведення аукціонів ціна грубої ділової дубової деревини диференціюється по товщині за наступними трьома категоріями сортиментів: із діаметром у верхньому відрізі без кори 26-34 см (груба-3), 36-48 см (груба-2) та 50 см і більше (груба-1). За даною методикою автором здійснювалось уточнення нормативів розмірно-якісної структури дерев дуба та сосни даними виходу грубої ділової деревини за категоріями крупності.

Серед усіх сортиментних таблиць перевага була надана розробленим у 2007 р. на кафедрі лісової таксації та лісовпорядкування НУБіП України нормативам, бо вони містять дані про сортний вихід категорій ділової деревини.

Вихід грубої-1 плюс грубої-2 від загального об'єму стовбура з діаметром d моделюватиметься за формулами:

(5)

при 40 см ? d ? 68 см,

при d > 68 см. (6)

Відповідно вихід грубої-1 ділової деревини можна описати формулами:

при 56 см ? d? 84 см, (7)

та при d > 84 см. (8)

Тоді груба-2 та груба-3 знаходитиметься за формулами:

а

.

З метою виявлення найбільш точних серед чинних та розроблених нормативів, а також, у разі необхідності, їх уточнення, проводилася виробничо-дослідна перевірка нормативів. Ці нормативи у подальшому використовувались для розробки таблиць динаміки товарної структури, обґрунтування віків стиглостей деревостанів та вирішення цілого ряду інших завдань.

Для перевірки таблиць розмірно-якісної структури по кожній породі було відібрано від 25 до 62 пробних площ. При цьому точність нормативів оцінювалася за систематичною помилкою, а її значущість для відповідних категорій деревини перевірялася за t-критерієм Стьюдента.

Аналіз показав, що найменшу точність мають чинні “Сортиментные таблицы…”, розроблені К.Є. Нікітіним (1984). З інших нормативів розмірно-якісної структури дерев найточнішими є таблиці з довідника “Нормативно-справочные материалы …” (1987) для ялини, берези і осики та “Моделі розмірно-якісної структури…” (2007) для сосни, дуба та бука. З товарних таблиць найточнішими виявилися нормативи для сосни (розроблені лише для 1-го класу товарності), дуба та берези, також представлені у вищеозначеному довіднику (1987), а також для сосни в цілому, ялини і бука - “Нормативи товарності деревостанів” (2004), розроблені на кафедрі лісової таксації та лісовпорядкування НУБіП України.

Автором спільно з А.А. Строчинським та ін. було розроблено “Сортиментні таблиці для матеріальної оцінки перестиглих соснових деревостанів …” (2007) за наступними моделями виходу категорій деревини з ділових стовбурів сосни:

(9)

(10)

(11)

(12)

 (13)

(14)

де Рділ, Рвідх, Рдров, Ргр, Рср, Рдр - відповідно відсоток ділової деревини, відходів, дров, грубої, середньої та дрібної ділової деревини від об'єму ділового стовбура.

Порівняння сортиментних таблиць для стиглих і перестійних соснових деревостанів показало, що розбіжності у виході ділової та грубої ділової деревини із ділових стовбурів становлять, як правило, понад 10-15% від їх об'єму.

Крім того, автором було розроблено нормативи товарної структури соснових перестійних деревостанів. Усі ці нормативи розроблені відповідно до сучасних вимог, а дослідно-виробнича перевірка довела їхню високу точність (систематична помилка виходу категорій деревини для сортиментних таблиць не перевищує 2%, товарних - 1%, а всі значення t-критерію Стюдента для цих категорій деревини менші за його критичну величину на 5%-му рівні значущості, t0=2,08).

Моделювання нормативів динаміки товарної структури деревостанів основних порід здійснювалося традиційними методами відповідно до їх будови, ходу росту та розмірно-якісної структури. При цьому використовувалися цільові програми для вирощування оптимальних як чистих, так і мішаних деревостанів (1992), а також чинні таблиці ходу росту нормальних насаджень (1987), причому останні - за відсутності нормативів для оптимальних деревостанів (граб, вільха та ін.) та у випадках, коли насадження даної породи в основному представлені природними деревостанами як насіннєвого, так і вегетативного походження. Нормативи динаміки товарної структури насаджень були розроблені як у абсолютних, так і відносних величинах для деревостанів різної продуктивності, причому автор для деяких порід узгодив їх продуктивність за класами бонітету з наведеною у дослідженнях Б.Ф. Остапенка та В.П. Ткача (2002) лісовою типологією.

До особливостей розробки нормативів слід віднести уточнення нормативів динаміки товарної структури соснових та дубових деревостанів насіннєвого походження даними виходу категорій грубої ділової деревини, а також ув'язування сортиментних таблиць та ділової частки насаджень для стиглих і перестійних соснових деревостанів під час розробки нормативів динаміки товарної структури сосняків.

Так, моделювання нормативів динаміки товарної структури сосняків полягало в їхньому уточненні, починаючи з 110-річного віку деревостанів, даними про будову ділової частини та сортиментну структуру ділових стовбурів деревостанів перестійного віку, а з 100-річного віку - в ув'язуванні нормативів товарної структури для стиглих і перестійних соснових деревостанів, коли зменшення з віком виходу ділової деревини пов'язувалось як із погіршенням якості ділових стовбурів (на 9-12% від їхнього загального запасу), так і зі зменшенням частки ділових стовбурів у перестійних деревостанах (з 95% у 100-річному віці до 75% у 120-річному).

Наведена на рис. 3 залежність між віком та часткою ділових дерев у соснових деревостанах, отримана на основі групування даних пробних площ за 20-річними класами віку, може бути виражена формулою

A ? 100 (15)

де Pділ - частка (в %) ділових стовбурів у деревостані певного віку;

А - вік деревостану.

З рис. 3 видно, що у 110-річному віці частка ділових стовбурів знижується орієнтовно до 85%, у 120-річному - до 75%, а в 130-річному - до 65%. Тому для уточнення таблиць динаміки товарної структури природних і штучних сосняків у 110-річному віці були використані товарні таблиці для стиглих деревостанів (2004) з часткою ділових стовбурів 85%, а в 120-130-річному - розроблені автором товарні таблиці для перестійних деревостанів з часткою ділових стовбурів відповідно 75% та 65%.

У результаті відповідних розрахунків було розроблено уточнені нормативи динаміки товарної структури соснових та дубових деревостанів, а за традиційною методикою - всіх інших основних лісоутворювальних деревних порід, а також мішаних березово-соснових та грабово-ясенево-дубових насаджень.

Розділ 5. Обгрунтування віку стиглостей деревостанів у лісах різного функціонального призначення. Враховуючи сучасні тенденції у політиці цін світового ринку лісоматеріалів, автор запропонував визначати вік технічної стиглості деревостанів за кількома варіантами розрахунків, коли провідний сортимент або категорія крупності ділової деревини визначається цільовим призначенням деревостану в експлуатаційних лісах. Так, високопродуктивні довговічні дубові деревостани насіннєвого походження, І класу бонітету і вище мають бути об'єднані в “елітну” господарську секцію, призначену для вирощування високоякісних (1-й та 2-й сорт деревини) сортиментів для стругання (або виробництва клепки) високої вартості та, частково, пиловника (3 сорт). Усі зазначені провідні сортименти повинні мати діаметр у верхньому відрізі без кори від 36 см і більше (об'єднує категорії грубої-2 та грубої-1 ділової деревини). Подібні господарства з вирощування сортиментів дуба з віком рубки в 160-180 років існують в Германії (Шпессарт, Палатинат), Франції (Транс) та інших країнах. В Україні такі господарства можуть бути організовані у державних підприємствах “Іллінецьке, Тульчинське, Жмеринське та Гайсинське лісове господарство”, лісорослинні умови яких є оптимальними для вирощування дубових деревостанів. Відповідно, дубові деревостани насіннєвого походження ІІ бонітету можуть бути призначені для вирощування грубих сортиментів з діаметром у верхньому відрізі 26 см і більше, а ІІІ і нижче - для виробництва сортиментів для розпилювання (груба та середня ділова деревина).

...