ФРАКЦИОННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА В фитомассе  культур на Урале в связи со способами их создания и ухода

 

Усольцев В.А.*^,**, Терехов Г.Г.*, Бирюкова А.М.*, Канунникова О.В.**, Семышев М.М.**, Бараковских Е.В.**

(*БС, г. Екатеринбург, РФ; ** УГЛТУ, г. Екатеринбург, РФ)

 

For the first time the indices of biomass in 35-year-old  man-made forests  of Picea obovata in the Middle Ural are obtained and analized.

 

С целью показать возможности депонирования углерода молодыми искусственными фитоценозами в Билимбаевском лесхозе Свердловской области заложена серия пробных площадей в 35-летних культурах, посаженных в 1977 г. Г.Г. Тереховым в кв. 78 Починковского лесничества (50 км к северо-западу от Екатеринбурга), в подзоне южнотаежных горных лесов Среднеуральской низкогорной провинции Уральской горно-лесной области [1]. Почва участка дерново-слабоподзолистая суглинистая на элювии осадочных пород.

Обработка почвы проведена химическим и механическим способами. Химическая обработка выполнена с помощью тракторного опрыскивателя смесью далапона и 2,4-Д аминной соли. Механическая обработка почвы осуществлена плугом ПКЛ-70, с помощью которого нарезалась борозда и одновременно формировались пласты. В качестве контрольного варианта оставлена целинная часть вырубки. Посадка ели проведена в мае 3-летними сеянцами и 5-летними саженцами, выращенными в питомнике из местных семян. Варианты продублированы на открытых местах и под пологом вторичного мелколиственного древостоя. Исследования углерододепонирующей способности культур ели проведены спустя 30 лет после посадки. Методика определений изложена ранее [2].

В нашем исследовании для выявления различий по углероду фитомассы деревьев при разных вариантах выращивания использованы уравнения связи с массообразующими показателями, поскольку непосредственное сопоставление совокупностей  (массивов) фактических данных углерода фитомассы по вариантам некорректно: варьирование углерода фитомассы деревьев (вследствие их дифференциации по размерам и ценотическому положению) в пределах одного варианта перекрывает таковое между вариантами.

При анализе и моделировании фракционной структуры углерода в фитомассе 35-летних культур ели по данным 90 модельных деревьев использована двухфакторная зависимость, которая в форме линеаризованного уравнения множественной статической аллометрии имеет вид

             ln С_i    = a₀ +a₁lnh+ a₂lnd +a₃lnhlnd,                                              (1)

где С_i – количество углерода в фитомассе фракции дерева (стволы в коре, кора ствола, ветви, хвоя и надземная часть) кг;  h и d - соответственно высота (м) и диаметр ствола (см). Выделены два варианта попарного сравнения уравнений (1), характеризующих способы выращивания культур ели соответственно на открытых местах и под пологом мелколиственного древостоя, возникшего после рубки. В пределах каждого выделены пары подвариантов (табл. 1), и каждая пара закодирована бинарной переменной X_j, где j = 1, 2, 3, 4 и 5. Для первой составляющей названной пары бинарная переменная X_j принята равной 1, а для второй – равна нулю. Установлено, что по большинству сравниваемых вариантов достоверных различий по показателю углерода в фитомассе равновеликих деревьев нет. По этой причине составлены обобщенные нормативы с привлечением данных 181 модельного дерева в возрасте от 3 до 31 года, полученных на тех же объектах ранее [2].

В молодняках составление обобщенных моделей и таблиц для возрастного диапазона от 3 до 35 лет невозможно, поскольку одним из входов в таблицы служит диаметр на высоте груди, а ель достигает высоты 1,3 м лишь к возрасту 10-15 лет, а иногда и позднее. Поэтому нами рассчитаны модели и составлены соответствующие таблицы двух типов: в одном случае по данным модельных деревьев 20-35-летнего возраста рассчитаны уравнения вида (1) с независимыми переменными d и h, а в другом – уравнения (2) с независимыми переменными  А и h:  

              ln С_i    = a₀ +a₁lnh+ a₂lnА +a₃lnhlnА,                                           (2)

где А – возраст дерева, лет. Уравнения (1) объясняют изменчивость запаса углерода в фитомассе деревьев на 82-97 и (2) – на 96-97%. Путем табулирования (1) и (2) составлены  двухвходовые нормативные таблицы.

Согласно таблице, составленной по (1), в различных диапазонах  d влияние h на запас углерода меняет знак вследствие изменения соотношения массы ствола и кроны. Это означает, что создание унифицированных моделей надземной фитомассы деревьев,  основанных на теориях фракталов и пайп-модели [4] в принципе невозможно, что было показано в нашем специальном исследовании [3].

Показатели запаса углерода в фитомассе 35-летних культур ели, рассчитанные на 1 га, приведены в сравнении с контролем в табл. 1. Кодировка вариантов сохранена. Сравнительный анализ запаса углерода в фитомассе ели на уровне древостоя по вариантам и подвариантам выполнен по той же схеме, что и на уровне дерева, с той лишь разницей, что в данном случае сопоставляются не уравнения, а непосредственно совокупности значений запаса углерода в фитомассе по фракционному составу на 1 га древостоя. Анализ выполнен с применением бинарной переменной Хj в качестве независимой переменной:

                              C_i = a₀ + a₁X_j,                                                   (3)

где C_i – запас углерода в фитомассе фракции древостоя (древесина ствола в коре, кора ствола, ветви, хвоя и надземная часть, соответственно Сst, Сb, Сbr, Сf и Сabo), т/га. Бинарная переменная Хj кодирует один из вариантов единицей, а второй – нулем.

Если при сопоставлении запаса углерода в фитомассе культур на уровне дерева массообразующие показатели в разных вариантах предполагались одинаковыми, т.е. сравнивались лишь равновеликие деревья, то при сопоставлении культур на уровне древостоя различия по вариантам учитывали не только разницу запаса углерода в фитомассе при условии равенства массообразующих показателей, но и разницу в самих массообразующих показателях древостоев, которые, естественно, сильно различаются по вариантам. В итоге установлено статистически достоверное 4-кратное превышение запаса углерода на открытых участках по сравнению с вариантом под пологом лиственного древостоя (блоковая переменная Х₁), и дальнейший сравнительный анализ с целью составления таблиц хода роста по углероду (ТХРУ) выполнен раздельно для каждого из упомянутых двух вариантов.

 

Таблица 1 - Углерод в фитомассе 35-летних культур ели при различных вариантах способов выращивания, закодированных бинарными переменными

     * - Открытое место; ** - в коридорах, под пологом  мелколиственного древостоя; ***- обозначения см. по тексту

Согласно составленным ТХРУ, под пологом древостоя культуры не выходят за пределы V класса бонитета на протяжении всего исследованного возрастного диапазона. На открытом пространстве культуры, начав расти по V классу бонитета, к концу II класса возраста освобождаются от угнетения травяным покровом и достигают на контроле II, а в вариантах с обработкой почвы – I класса бонитета.

К концу II класса возраста культуры на открытых пространствах имеют запасы углерода в фитомассе в 5-7 раз бóльшие, нежели под пологом мелколиственного древостоя, а в подвариантах «пласты и гряды» и «хим. обработка» - соответственно в 4 раза и на 40-80% бóльшие, чем на контроле.

 

Литература

1. Колесников Б. П., Зубарева Р. С., Смолоногов Е. П. Лесорастительные условия и типы лесов Свердловской области // Свердловск: УНЦ АН СССР, 1973. 176 с.

2. Терехов Г. Г., Усольцев В. А. Формирование и биопродуктивность культур ели  на Урале. Екатеринбург: Ботанический сад УрО РАН, 2006. 141с. (Деп. ВИНИТИ 25.09.2006. № 1168-В2006).

3. Усольцев В. А., Канунникова О. В., Платонов И. В. Исследование ошибок при оценке углеродного пула лесов посредством аллометрических моделей // Современные проблемы устойчивого управления лесами, инвентаризации и мониторинга лесов. Матер. международной конфер. С.-Петербург: С.-ПбГЛТА, 2006. С. 363-370.

4. Chave J., Riera B. Dubois M. A. Estimation of biomass in a neotropical forest of French Guiana: spatial and temporal variability. J. Trop. Ecol. 2001. Vol. 17. P. 79-96.

 

Работа поддержана РФФИ, грант № 07-07-96010.