Основные положения имитационной модели
многовидового разновозрастного лесного ценоза
Лебедев С.В., Чумаченко С.И. (МГУЛ, г.Москва, РФ)
In this article represent the dynamic model of development multispecials uneven-ages forest cenosis. Are described the conceptual model and same mainframes.
В последнее время всё больше внимания уделяется моделированию динамики древостоев. Необходимо учитывать, что на динамику лесных насаждений влияют эндогенные, экзогенные и антропогенные факторы.
Существует огромное количество моделей динамики лесных насаждений. Хороший обзор представлен [6]
Существует принципиально два различных подхода к расчёту светового режима под пологом. В основе первого лежит тот факт, что во всех лесах под пологом наблюдаются солнечные блики. Частота их появления и длительность могут быть различными и зависят от плотности полога. Идея второго подхода связана с использованием “мутного” слоя. Солнечная радиация, проходя через поглощающий слой, частично ослабевает [2].
Модель Pacala [8]– использует первый подход. При помощи объектива “Fish eye” производилась фотосъёмка полога, производилось картирование стволов с указанием вида и диаметра деревьев. Затем полученные результаты подвергались компьютерной обработке и получалась трёхмерная модель древостоя. Определялась доля просветов (openness), являющаяся оценкой функции пропускания интенсивности излучения в данном направлении. Форма кроны независимо от вида принималась цилиндром.
Большинство моделей реализуют второй подход. В известных gap-моделях используется два способа представления крон. Горизонтальные экраны – энергия поглощается дискретно пропорционально коэффициенту поглощения. Тела вращения – крона представлена телами вращения (конус, цилиндр, эллипсоид). В gap-моделях источник находится вертикально сверху. В некоторых работах кроны представлены в виде вертикальных экранов, а древостой представляет ряд деревьев, расположенных на одной линии по направлению север-юг. Источник света расположен на юге. В ряде работ крона аппроксимируется прямоугольными параллелепипедами (ячейками). Ячейка полупрозрачная, а солнце “движется” по небосводу с востока на запад с изменением угла стояния и интенсивности прямой и рассеянной радиации.
Принцип деления моделируемого пространства на ячейки используется и в представляемой динамической модели развития многовидового разновозрастного ценоза. В модели всё моделируемое пространство поделено на кубики (ячейки) размером по 0.5м. Кроны в модели аппроксимируются ячейками, что делает возможным моделирование движения солнца по небосводу. Для этого необходимо задать количество прямых и рассеянных лучей.
В модели используется концепция дискретного описания онтогенеза [3]. Согласно данной концепции при описании развития деревьев принято выделение шести онтогенетических состояний: имматурного (im), виргинильного (v), молодого (g1), средневозрастного (g2) и старого (g3) генеративного, сенильного (s). Пользователю предоставляется возможность откорректировать или создать свою собственную форму кроны, в одном или всех онтогенетических состояниях. Для представления формы кроны используются тела вращения (конус, цилиндр, шар, либо их части), пользователь для задания формы кроны может использовать любое их сочетание.
Модель включает в себя различные целевые блоки: “свет”, “почва”, “естественное изреживание”, “рост”. Исходными данными для модели может являться как картированная территория какого-нибудь реального лесного массива, так и созданная пользователем ситуация (“ручная посадка”). При использовании режима “ручной посадки” можно задавать совершенно любые характеристики для любого онтогенетического состояния “высаживаемого” дерева. Наряду с картой моделируемого пространства исходными данными являются географическое положение ценоза (для работы блока “свет”), местные таблицы хода роста, таблица характеристик видов деревьев в каждом онтогенетическом состоянии (для блоков “рост” и “изреживание»).
Работа модели начинается с выполнения блока “свет”, в котором рассчитывается один из основных факторов, определяющий темп роста дерева – доступная фотосинтетически активная радиация (ФАР) [1]. В большинстве моделей количество направлений, с которых поступает солнечная энергия, фиксировано, что с одной стороны уменьшает время расчёта, но с другой стороны определяет некоторые допущения на точность производимых вычислений (Чумаченко С.И., 1993) [4]. Основное отличие разработанного блока от описанного, состоит в том, что в блоке “свет” количество как прямых, так и рассеянных лучей можно задавать произвольно в процессе работы модели. По завершении выполнения данного блока формируются данные о полученной деревом энергии с различных направлений. “Световой” блок работает используя второй подход к расчёту света. ФАР рассчитывается для каждой ячейки моделируемого пространства. Те ячейки, у которых доступная ФАР меньше заданного минимума освобождаются от фотосинтезирующих элементов, в результате чего происходит изменении структуры кроны: появляется теневой конус, изменяется высота прикрепления.
После расчёта светового режима выполняется блок “почва” [7]. Входными данными для данного блока является информация об опаде по фракциям хвоя-листва, ветки и стволы, корни. Результатом выполнения – данные об изменении характеристик почвы, в первую очередь свободно доступного азота.
Следующим этапом шага моделирования является выполнение блока Изреживание. Подробно алгоритмы и основные критерии естественного изреживания рассмотрены в статье Чумаченко [5].
Одним из наиболее значимых этапов моделирования является выполнение блока “рост”. Функционирование начинается с анализа условий местопроизрастания, и в зависимости от этого по таблицам хода роста определяется возможный бонитет дерева. По полученному результату определяются возможные максимальные размеры дерева (высота, диаметр ствола), а уже по этим данным определяем возрастное состояние (Чумаченко, 1994). Далее определяем возможный прирост кроны дерева. Хотелось бы отметить, что изменение кроны происходит по представленному алгоритму: происходит анализ информации, предоставленной блоком “свет”, с целью нахождения последовательности приоритетных направлений; самым приоритетным считается направление, которое получило максимальное количество солнечной энергии, и начиная с данного направления происходит прирост кроны (максимально возможный прирост кроны в одну сторону считаю равным 2Rmax).
Модель можно использовать для прогнозирования динамики лесного фонда. В последнее время активно ведётся лесопарковая деятельность. Одним из применений модели может стать её использование при проведении парковой реконструкции.
Список литературы.
1. Алексеев В.А. Световой режим леса. Л.: Наука, 1975. 228 с.
2. Цельникер Ю.Л. Физиологические основы теневыносливости древесных растений. М.: Наука, 1978г. 212с.
3. Ценопопуляции растений (очерки популяционной биологии). М.: Наука, 1988. 183 с.
4. Чумаченко С.И., Паленова М.М., Коротков В.Н. Прогноз динамики таксационных показателей лесных насаждений при разных сценариях ведения лесного хозяйства: модель динамики лесных насаждений FORRUS-S // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. М.: МГУЛ науч. труды вып.314, 2001г., с128-146.
5. Чумаченко С.И., Сысуев В.В., Поленова М.М., Бредихин М.А., Коротков В.Н. Устойчивое развитие бореальных лесов /Моделирование динамики древостоев с учётом лесохозяйственного воздействия/ М:, Труды VII ежегодной конференции МАИБЛ. 1997 г., с 184-190.
6. Chertov O.G., Komarov A.S., Karev G.P. Modern Approaches in Forest Ecosystem Modelling. EFI Research Report 8. Brill; Leiden, Boston, Köln. 1999. 130 p.
7. Chertov O.G., Komarov A.S. SOMM - a model of soil organic matter dynamics. Ecological Modelling 94. 1997: 177-189.
8. Pacala S.W., Canham C.D., Saponara J., Silander J.A.,Jr, Kobe R.K., Ribbens E. Forest models defined by field measurements: Estimation, error analysis and dynamics // Ecological Monographs, 1996, v.66, No.1, pp.1-43.