Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМЛЯ ДРЕВЕСНОГО РАСТЕНИЯ

Изобретение относится к дендрометрии, например, при компонентном анализе лесного древостоя, а также к инженерной экологии при изучении компонентного экологического равновесия лесного древостоя, и может быть использовано в охране и защите лесной экосистемы, обустройстве лесного ландшафта, экологическом мониторинге лесной среды внутри древостое, технологическом мониторинге процессов естественного возобновления древесных растений и леса в целом при учете ежегодных изменений в распределениях диаметра комлевой части растущих деревьев, подлеска и подроста, поросли, кустарника и кустарничков.

Известен способ анализа древесного ствола, в том числе и измерения комлевой части, (см., например, учебник: В.К.Захаров. Лесная таксация. Изд-е 2-е, исправл. и доп.- М.: Лесная промышленность, 1967. - С.301, 304), включающий два частных процесса: а) полевых операций по отбору и обмеру деревьев; б) камеральной обработки полевых материалов. По первой части способ по аналогу включает действия: выбор участка насаждения и его характеристика, отбор одного, нескольких или всех деревьев с описанием их таксационных показателей.

Достоинством является то, что по этому техническому решению возможно действие отбора всех деревьев древостоя.

Недостатком известного способа является постоянная высота 1,3 м замера диаметра ствола дерева и одинаковая ступень толщины для всех измеряемых деревьев. В итоге измеряют деревья диаметром только 6-8 см и более (за рубежом 4 см и более), то есть измерению подвергают не все древесные растения. Например, в процесс таксации не включают подрост, который получает характеристику только по численности деревьев.

Известен также способ анализа древесного ствола измерением комля дерева с диаметром на стандартной высоте 1,3 м от корневой шейки и далее по патенту №2201593, включающий выбор пробной площади, отбор дерева на пробной площади, описание свойств выбранного дерева и места его произрастания, установление местоположения шейки корня, измерение расстояний на стволе от шейки корня.

Достоинством является то, что расстояния от корневой шейки принимаются некратной длины, но начиная со стандартной высоты 1,3 м.

Недостатком является то, что при этом некратная длина относится к участку ствола выше стандартной высоты 1,3 м и тем самым не определяется различие в ступенях толщины всех типоразмеров древесных растений, произрастающих на выбранной пробной площади. Измерение диаметра на стандартной высоте возможно только для лесных деревьев ступени толщины не менее 8 см. Поэтому недостатком является невозможность измерения на высоте 1,3 м толщины ствола мелких древесных растений подроста, подлеска, кустарника и кустарничков, поросли на пнях. Существующие способы измерения диаметра деревьев направлены не на древесные растения, а на взрослые особи для изготовления из них кругляка.

Технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение точности анализа ствола в комлевой части у любых типоразмеров древесных растений, произрастающих на пробной площади.

Этот технический результат достигается тем, что способ измерения комля древесного растения, включающий выбор пробной площади, отбор дерева на пробной площади, описание свойств выбранного дерева и места его произрастания, установление местоположения шейки корня, измерение диаметра ствола от шейки корня на стандартной высоте 1,3 м, отличающийся тем, что отбор выполняют по всем видам и размерам древесных растений, произрастающих на выбранной пробной площади, измерения диаметра ствола каждого древесного растения выполняют без его разрушения, при этом за комель древесного растения принимают участок ствола от корневой шейки до расчетной высоты, зависящей от диаметра ствола на этой же высоте, причем с возрастанием диаметра ствола древесного растения верхнее сечение комля принимается не менее стандартной высоты.

Для учета всех биологических видов древесных растений разной продуктивности по древесине, за комель древесного растения принимают участок ствола от корневой шейки до расчетной минимальной и максимальной высоты, зависящих от диаметра ствола на этой же высоте по нижней и верхней границам доверительного интервала по количественным данным из следующей таблицы:

Высота hD замера от диаметра D ствола Минимум Максимум D, см , м D, см , м 0 0 0 0 1.2 0.1 0.2 0.1 6.0 0.5 1.2 0.5 16.0 1.0 6.0 1.0 - - 16.0 1.3

С возрастанием диаметра ствола древесного растения верхнее сечение комля принимается не менее стандартной высоты по формулам границ доверительного интервала:

;

,

где D - диаметр ствола древесного растения на измеряемой высоте, см,

- нижняя граница минимальных значений измеряемой от корневой шейки высоты, м,

- верхняя граница минимальных значений измеряемой от корневой шейки высоты, м.

По результатам измерений для учета биологических видов древесных растений по низкой и средней продуктивности по древесине, преимущественно в лесах средних и высоких широт России, за комель древесного растения принимают участок ствола от корневой шейки до расчетной минимальной высоты, зависящей от диаметра ствола на этой же высоте по нижней границе доверительного интервала, проведение измерений древесных растений на пробной площади выполняют по распределению ступеней толщины и высоты замера в зависимости от диаметра верхнего сечения комля по группам, приведенным в таблице:

Непрерывная шкала измерений диаметра ствола древесных растений по группам 1 2 3 4 5 6 7 D, см , м D, см , м D, см , м D, см , м D, см , м D, см , м D, см , м 0,01 0,000 0,1 0,01 1,2 0,10 3,5 0,30 6 0,5 16 1,0 36 1,3 0,02 0,001 0,2 0,01 1,4 0,12 4,0 0,34 7 0,6 18 1,1 40 1,3 0,03 0,002 0,3 0,02 1,6 0,14 4,5 0,39 8 0,6 20 1,1 44 1,3 0,04 0,002 0,4 0,03 1,8 0,15 5,0 0,43 9 0,7 22 1,1 48 1,3 0,05 0,003 0,5 0,04 2 0,17 5,5 0,46 10 0,8 24 1,2 52 1,3 0,06 0,004 0,6 0,05 2,2 0,19 6,0 0,50 11 0,8 26 1,2 56 1,3 0,07 0,004 0,7 0,06 2,4 0,21 6,5 0,54 12 0,8 28 1,2 60 1,3 0,08 0,005 0,8 0,06 2,6 0,22 7,0 0,57 13 0,9 30 1,2 64 1,3 0,09 0,006 0,9 0,07 2,8 0,24 7,5 0,60 14 0,9 32 1,2 68 1,3 0,1 0,006 1,0 0,08 3 0,26 8,0 0,64 15 1,0 34 1,3 ≥72 1,3

при условных обозначениях групп диаметров ствола древесных растений:

1 - мелкие саженцы и сеянцы (ступень толщины 0,01 см);

2 - средние саженцы и сеянцы, подрост, поросль (ступень 0,1 см);

3 - крупные саженцы, мелкий подрост, кустарнички, поросль (0,2 см);

4 - средний подрост, кустарник и кустарнички, поросль (0,5 см);

5 - крупный подрост, деревца, подлесок, крупный кустарник (1 см);

6 - лесные деревья (ступень толщины 2 см);

7 - лесные деревья (ступень толщины 4 см).

Для формирования непрерывной шкалы измерений диаметра ствола древесных растений, с учетом точности измерений по группам значений диаметра ствола, применяются измерительные инструменты: 1 - микрометр; 2-4 - штангенциркуль; 5-7 - мерная вилка.

Сущность технического решения заключается в том, что с учетом цены деления измерительных инструментов создается непрерывная шкала диаметров, от которых по математической функции предела роста рассчитывается высота измерения данного диаметра ствола.

Сущность технического решения заключается также в том, что измерения возможно проводить на древесных растениях любого биологического вида, возраста, формы и размеров.

Положительный эффект заключается в том, что предлагаемый способ измерений позволяет увязать комплексно все элементы леса по древесным растениям, не выделяя из растительного сообщества деревья. Это позволит перейти на экологическую таксацию древесных растений и на основе переменных значений высоты замера при различных диаметрах ствола оценивать компонентное экологическое равновесие сложного по составу древостоя с включением в него подроста, подлеска, кустарника и кустарничков, древесной поросли. Анализ компонент такой сложной системы объективнее позволяет оценить показатели экологической устойчивости и неустойчивости отдельных пород деревьев и давать прогнозы на процессы сукцессии. Наибольший эффект будет достигнут при моделировании динамики сукцессии элементов древесной растительности на пробной площади после ряда многолетних замеров по предлагаемой непрерывной шкале диаметра ствола. При этом способ применим в любых лесорастительных условиях, что в будущем позволит оценивать также и влияние лесной почвы и других подсистем лесной экосистемы.

Положительным является также и то, что предлагаемый способ применим и к существующей практике таксации деревьев по ступеням толщины, что подробно было показано в нашей книге (Мазуркин П.М., Долгих М.В. Компонентное равновесие и устойчивость древостоя. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. 164 с.) и кратко пояснено на примере из указанной книги в конце описания изобретения. Для известных таксационных таблиц замеров диаметров лесных деревьев по ступеням толщины применятся только правая часть непрерывной шкалы измерений по данному способу.

Существенной новизной является измерение объединение древостоя с подлеском, подростом, кустарником и кустарничками, древесной пневой и корневой порослью. В итоге способ позволяет формировать общую подсистему леса под названием «древесный покров» или «древесная растительность». В итоге формируется действительно часть лесной экосистемы, учитывающая все видовые и возрастные распределения древесных растений на выбранной пробной площади. Это позволяет исключить узкое понимание древесных растений только как источника древесины и поднимет уровень лесоведения и лесоводства на научно обоснованный уровень.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками новизны, положительным эффектом и перспективой расширения областей практического применения дендрометрии в инженерной экологии при компонентном анализе сложного фитоценоза лесного древостоя, а также экологическом мониторинге охраны и защиты лесных участков на особо охраняемых территориях и технологическом мониторинге при экологически ответственном выращивании лесных деревьев и древостое в лесном хозяйстве.

Из научно-технической и патентной литературы материалов, порочащих новизну предлагаемого способа, не обнаружено.

На фиг.1 показана схема измерения трех древесных растений разной крупности ствола; на фиг.2 дана таблица изменения высоты замера в зависимости от измеряемого диаметра ствола по нижней минимальной и верхней максимальной границам доверительного интервала; на фиг.3 приведены графики границ доверительного интервала и формулы этих графиков;

на фиг.4 показан график нижней минимальной границы доверительного интервала, полученный в программной среде CurveExpert-1.38; на фиг.5 дана таблица в виде непрерывной шкалы измерений диаметра ствола древесных растений с указанием возрастающей ступени толщины при снижающейся точности измерений от микрометра до мерной вилки.

Способ измерения комля всех деревьев на пробной площади сложного разновозрастного древостоя включает такие действия.

Вначале на лесном участке выбирается пробная площадь для измерений всех находящихся на ней древесных растений, например, для компонентного экологического анализа древесной растительности. Если изучаемая древесная растительность на пробной площади распределена мозаично, то возможен и территориальный экологический анализ леса.

Затем, по очередности измерений, отбирается измеряемое древесное растение на пробной площади, выполняется эвристическое описание свойств выбранного древесного растения и места его произрастания. При этом измерения в последующем проводятся без разрушения древесных растений, то есть любой особи из растительности на пробной площади. Поэтому маршруты прохождения исследователей намечаются заранее и составляется абрис пробной площади с указанием тех мест, на которых возможно вытаптывание лесной почвы.

На каждом древесном растении устанавливают местоположение шейки корня и при этом за комель растущего древесного растения принимают участок ствола от корневой шейки до расчетной высоты, зависящей от диаметра ствола на этой же высоте, причем с возрастанием диаметра ствола древесного растения верхнее сечение комля принимается не менее стандартной высоты.

Для учета всех биологических видов древесных растений разной продуктивности по древесине, за комель древесного растения принимают участок ствола от корневой шейки до расчетной минимальной и максимальной высоты, зависящих от диаметра ствола на этой же высоте по нижней и верхней границам доверительного интервала по количественным данным из следующей таблицы:

Высота hD замера от диаметра D ствола Минимум Максимум D, см , м D, см , м 0 0 0 0 1.2 0.1 0.2 0.1 6.0 0.5 1.2 0.5

С возрастанием диаметра ствола древесного растения верхнее сечение комля принимается не менее стандартной высоты по формулам границ доверительного интервала:

;

,

где D - диаметр ствола древесного растения на измеряемой высоте, см,

- нижняя граница минимальных значений измеряемой от корневой шейки высоты, м,

- верхняя граница минимальных значений измеряемой от корневой шейки высоты, м.

По результатам измерений для учета биологических видов древесных растений по низкой и средней продуктивности по древесине, преимущественно в лесах средних и высоких широт России, за комель древесного растения принимают участок ствола от корневой шейки до расчетной минимальной высоты, зависящей от диаметра ствола на этой же высоте по нижней границе доверительного интервала, проведение измерений древесных растений на пробной площади выполняют по распределению ступеней толщины и высоты замера в зависимости от диаметра верхнего сечения комля по группам, приведенным в таблице:

Непрерывная шкала измерений диаметра ствола древесных растений по группам 1 2 3 4 5 6 7 D, см , м D, см , м D, см , м D, см , м D, см , м D, см , м D, см , м 0,01 0,000 0,1 0,01 1,2 0,10 3,5 0,30 6 0,5 16 1,0 36 1,3 0,02 0,001 0,2 0,01 1,4 0,12 4,0 0,34 7 0,6 18 1,1 40 1,3 0,03 0,002 0,3 0,02 1,6 0,14 4,5 0,39 8 0,6 20 1,1 44 1,3 0,04 0,002 0,4 0,03 1,8 0,15 5,0 0,43 9 0,7 22 1,1 48 1,3 0,05 0,003 0,5 0,04 2 0,17 5,5 0,46 10 0,8 24 1,2 52 1,3 0,06 0,004 0,6 0,05 2,2 0,19 6,0 0,50 11 0,8 26 1,2 56 1,3 0,07 0,004 0,7 0,06 2,4 0,21 6,5 0,54 12 0,8 28 1,2 60 1,3 0,08 0,005 0,8 0,06 2,6 0,22 7,0 0,57 13 0,9 30 1,2 64 1,3 0,09 0,006 0,9 0,07 2,8 0,24 7,5 0,60 14 0,9 32 1,2 68 1,3 0,1 0,006 1,0 0,08 3 0,26 8,0 0,64 15 1,0 34 1,3 ≥72 1,3

при условных обозначениях групп диаметров ствола древесных растений:

1 - мелкие саженцы и сеянцы (ступень толщины 0,01 см);

2 - средние саженцы и сеянцы, подрост, поросль (ступень 0,1 см);

3 - крупные саженцы, мелкий подрост, кустарнички, поросль (0,2 см);

4 - средний подрост, кустарник и кустарнички, поросль (0,5 см);

5 - крупный подрост, деревца, подлесок, крупный кустарник (1 см);

6 - лесные деревья (ступень толщины 2 см);

7 - лесные деревья (ступень толщины 4 см).

Для формирования непрерывной шкалы измерений диаметра ствола древесных растений, с учетом точности измерений по группам значений диаметра ствола, применяются измерительные инструменты: 1 - микрометр; 2-4 - штангенциркуль; 5-7 - мерная вилка.

Данные заносят в журнал и затем их обрабатывают для получения в камеральных условиях таблиц исходных данных для моделирования по распределениям значений диаметра ствола и высоты его измерения. Если будут замерены и другие таксационные показатели каждого растения из всей древесной растительности на пробной площади, то статистическим моделированием выявляют двухфакторные закономерности влияния диаметра и высоты замера на другие показатели древесных растений.

Способ измерения комля древесных растений, например, только лесных деревьев для компонентного анализа сформировавшегося древостоя по ступеням толщины от 8 и более сантиметров по существующей в лесном хозяйстве методике России измерений диаметра ствола на стандартной высоте 1,3 м, включает такие действия.

Вначале на лесном участке выбирается пробная площадь для измерений находящихся на ней деревьев, как правило, на будущих делянках для расчета объема и товарной оценки стволов лесных деревьев по классам товарности в виде деловых и дровяных деревьев. Таких измерений выполняется огромное количество, но из полученных таблиц исходных данных не извлекается экологическая информация. В итоге, после рубки деревьев на лесосеке и продажи сортиментов результаты измерений и последующих расчетов просто выбрасываются. А они могли бы послужить, хотя и однократно, для экологической оценки компонентного равновесия в срубаемом древостое с тем, чтобы в дальнейшем мерами лесного хозяйства добиться высокой продукции будущего древостоя.

Особенно необходимо проводить, хотя бы на выделах леса в виде древостоев, перечет деревьев по ступеням толщины на стандартной высоте 1,3 м на особо охраняемых территориях с тем, чтобы проводить санитарные и другие виды рубок деревьев обновления и переформирования. И тем самым не дать погибнуть лесным угодьям, например, переданным от лесных предприятий заповедникам, национальным паркам, охотничьим хозяйствам и прочим лесным участкам, ан которых прекращена хозяйственная деятельность, в частности, заготовка древесины и иного сырья.

По очередности измерений отбирается измеряемое лесное дерево на пробной площади в виде выдела или же будущей делянки, выполняется эвристическое описание свойств выбранного дерева и места его произрастания. При этом измерения, например, по сплошному перечету, проводятся без разрушения измеряемых деревьев. Кроме того, такое упрощенное измерение предполагает игнорирование подлеска, подроста, кустарника и кустарничков, поросли.

Они по существующим способам измерений не имеют экономической ценности. Поэтому учитываются только взрослые и ценные особи.

На каждом дереве устанавливают местоположение шейки корня и при этом за комель растущего древесного растения принимают участок ствола от корневой шейки до стандартной высоты 1,3 м, которая при таком упрощенном варианте предлагаемого способа не зависит от диаметра ствола. Затем значения диаметра всех измеренных нескольких сотен деревьев в камеральных условиях распределяют по ступеням толщины ствола или же подвергают статистическому моделированию без группировки.

Пример. Он принят по сплошному перечету деревьев из нашей книги (Мазуркин П.М., Долгих М.В. Компонентное равновесие и устойчивость древостоя. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. 164 с.). Для оценки показателей компонентного равновесия и устойчивости смешанного сосняка принята конкретная лесосека на Нолинском лесничестве (табл.1) в юго-восточной части Кировской области.

Результаты анализа измерений и моделирования идентификацией устойчивых биотехнических закономерностей будут достаточно достоверными, но все же не идеальными. В итоге пример реализует предложенный способ только в упрощенном частном виде.

В таблице численность деревьев сгруппирована по ступеням толщины и группам товарности. Этот подход называется таксацией при учете стволовой древесины.

Количество деловых деревьев примерно в пять раз превышает количество дровяных, что является показателем экологической обстановки на данной территории. Значительное количество 96,6% хвойных пород, процентное соотношение сосны к общему количеству деревьев составляет 74,7%.

Максимальное количество деловых деревьев трех пород равно 100 шт. при ступени 32 см. Однако, из-за максимума численности дровяных деревьев, общее количество 119 растений двух категорий состояния находится на ступени толщины 16 см. Второй максимум 118 штук виден на толщине 32 см. Максимумы у деловых и общего количества деревьев как бы поменялись местами. Это - результат внешнего влияния на древостой. Доля деловых деревьев составляет 100×502/609=82,43%. Этот показатель применим для сравнения разных древостоев друг с другом.

Коэффициенты устойчивости и неустойчивости. Коэффициент устойчивости K_у древостоя, в нашем примере смешанного сосняка на пробной площади, вычисляется по простой формуле

где N_д - количество деловых деревьев разных видов, шт.,

N - общее количество деловых и дровяных деревьев на пробной площади (в нашем примере на лесосеке 8,8 га), шт.

Коэффициент неустойчивости К_др лесного древостоя по наличию деревьев дровяного качества определяется также по простой формуле

где N_др - численность дровяных лесных деревьев разных пород, шт.

Отношение численности дровяных деревьев к деловым деревьям дает принципиально новый показатель - коэффициент К_н неустойчивости

Все породы деревьев получают данные, приведенные в таблице 2.

В целом по древостою в нижней строке таблицы 2 получены значения показателей, которые применимы для сравнения с другими смешанными древостоями.

Коэффициент устойчивости сосняка равен К_у=0,8243.

Коэффициент неустойчивости сосняка по численности дровяных деревьев всех трех пород равен К_др=0,1757.

Коэффициент неустойчивости сосняка по отношению числа дровяных деревьев к деловым стволам равен К_др=0,2131.

Эффективность нового способа проявляется в том, что он позволяет анализировать любые древесные сообщества, в том числе и по результатам существующей лесной таксации диаметра ствола по крупным равномерным ступеням толщины на стандартной высоте измерения 1,3 м.