УДК 574.45
ЧИСТАЯ ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ ЛЕСОВ УРАЛА: МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ
© 2011 г. В. А. Усольцев*, М. П. Воронов**, В. П. Часовских**
*Ботанический сад УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8марта, 202а E-mail: usoltsev50@mail.ru **Уральский государственный лесотехнический университет 620100Екатеринбург, Сибирский тракт, 37 E-mail: mstrk@yandex.ru Поступила в редакцию 07.06.2010 г.
Исследованы методические подходы оценки фитомассы и чистой первичной продукции лесных экосистем и разработаны их регрессионные модели. Путем совмещения последних с базой данных Государственного учета лесного фонда 305 лесхозов Уральского региона (10 территориальных образований) рассчитаны общий запас фитомассы лесов (9.11 млрд т) и чистая первичная продукция (542 млн т). Модели и алгоритмы расчетов реализованы в информационной системе в среде Natural, которая позволяет оценивать и актуализировать фитомассу и первичную продукцию лесных экосистем территориального комплекса в автоматическом режиме.
Ключевые слова: лесное насаждение, фитомасса лесов, регрессионный анализ, базы данных, картографирование, чистая первичная продукция, методический анализ, система управления базами данных.
Оценка биологической продуктивности лесов является одной из наиболее приоритетных задач лесной экологии. Особенно актуальной эта проблема стала после принятия Рамочной конвенции ООН об изменении климата (1992 г.) и Киотского протокола (1997 г.), согласно которым мировое сообщество связывает возможность стабилизации климата с повышением продукционного потенциала растительного покрова, в первую очередь планетарных лесов.
Начиная с 1970-х годов исследования фитомассы и чистой первичной продукции (ЧПП) лесных экосистем сместились с уровня отдельных насаждений на ландшафтный и биосферный уровни (Бази-левич, Родин, 1967; Лит, 1974). Сегодня оценка биосферной роли лесов в плане поддержания окружающей среды на безопасном для человека уровне выполняется на основе методов математического моделирования. Несмотря на множество методических подходов к моделированию (Running, Gower, 1991; Jiang et al., 1999), "наше понимание изменений наземной фитомассы остается рудиментарным" (Houghton et al., 2009).
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ
Первые оценки органического вещества лесов были выполнены Н.И. Базилевич и Л.Е. Родиным
(1967) по данным 150 пробных площадей. В результате были составлены карты-схемы его территориального распределения путем экстраполяции данных пробных площадей на территориальные комплексы без учета материалов Государственных учетов лесного фонда (ГУЛФ), которые использовались при первых оценках депонирования углерода лесами России. За последние годы опубликовано несколько "инвентаризационных" оценок фитомассы лесов РФ (Алексеев, Бердси, 1994; Исаев, Коровин, 1999; Швиденко и др., 2004, 2007; Замо-лодчиков, Уткин, 2000; Кудеяров и др., 2007), выполненных на основе совмещения данных фитомассы насаждений пробных площадей с материалами ГУЛФ, хотя они различались существенно и по степени их детализации, и по применяемым методам и моделям (Швиденко и др., 2007).
В.А. Усольцевым и А.А. Сальниковым (1998) показано, что наиболее точные результаты можно получить при использовании исходных (повы-дельных), а не усредненных для лесхозов данных ГУЛФ. При этом игнорирование морфострукту-ры древостоев дает существенные смещения, достигающие на половине лесопокрытой площади 40—60% по отношению к результатам, полученным на основе многофакторных моделей фито-массы, включающих в себя в качестве независимых переменных таксационные показатели исходных данных ГУЛФ.
Соотношение оценок запаса фитомассы (т/га) на покрытых лесом землях, полученных двумя разными методами
Источник информации Фитомасса на 1 га покрытой лесом площади, полученная: Соотношение результатов по методам (2 : 1)
Регион путем совмещения данных о фитомассе с ГУЛФ (метод 1) по данным карт-схем (Базилевич, Родин, 1967) (метод 2)
Территория УрФО
В том числе: лесотундра <20 25-50 2.5
северная тайга Усольцев, 2007 20-50 50-150 2.7
средняя тайга 50-80 150-300 3.5
южная тайга 80-200 300-400 2.5
Архангельская обл. Цветков, Сурина, 2003 44 50-150 2.3
Литва Бумблаускис, 1996 133 300-400 2.6
Пермский край Усольцев и др., 2009а 102 300 3.0
Республика Коми Усольцев и др., 2009а 76 300 3.9
Башкирия Усольцев и др., 2009а 111 13-25 0.17
Кашапов, 2004 209* 13-25 0.09
Бурятия Тулохонов и др., 2006 77 13-25 0.25
Оренбургская область Усольцев и др., 2009а 100 5-13 0.09
* Величина получена путем прямой экстраполяции данных о фитомассе пробных площадей на лесопокрытую площадь Башкирии.
В нашей работе для оценки запасов фитомассы на лесопокрытых землях (150 лесхозов по состоянию на 2007 год с общей лесопокрытой площадью 62 млн га) Уральского федерального округа (УрФО) использованы 1400 фактических определений фракционной структуры фитомассы (стволы, листва, ветви, корни, нижний ярус), полученных на пробных площадях (Усольцев, 2001). Рассчитаны их зависимости от основных массоопределяю-щих факторов — возраста древостоя (А, лет) и запаса стволовой древесины (М, м3/га), входящих в матрицы данных ГУЛФ лесхозов в границах, существующих до 2007 г.:
1пР = f [1пА, (1пА)2, 1пМ], (1)
где Р1 - фитомасса в абсолютно сухом состоянии каждой фракции (т/га). Все константы уравнений (1) статистически значимы на уровне ?05. После табулирования моделей (1) по запасу стволов (М) и возрасту (А) насаждений рассчитаны запасы фитомассы по фракциям на 1 га лесопокрытой площади в каждой ячейке исходной матрицы данных ГУЛФ для УрФО. Детально алгоритм расчетов изложен в нашей предыдущей работе (Усоль-цев и др., 2004).
Сопоставление полученных данных о запасах фитомассы на территории УрФО (Усольцев, 2007) и данных А.З. Швиденко с соавт. (2007) для той же территории, рассчитанных по аналогичному алго-
ритму, но с несколько иной структурой регрессионных моделей, показало различие не более 3—5%, т.е. расхождение результатов находится в пределах точности оценивания (рис. 1).
Напротив, расхождение результатов, полученных для разных регионов путем совмещения фактических данных фитомассы насаждений с данными ГУЛФ и простой экстраполяции данных пробных площадей на природные зоны и подзоны (Базиле-вич, Родин, 1967), оказалось существенным (см. таблицу). Очевидно, что карта-схема Н.И. Базиле-вич и Л.Е. Родина (1967) для северной и центральной частей бореальной зоны завышает оценки фи-томассы примерно втрое, а для лесостепной и степной, напротив, занижает в 4—6 раз, а по Р.Ш. Кашапову (2004) — даже в 11 раз.
Если при оценках валового запаса фитомассы в лесном покрове территориальных образований на основе данных ГУЛФ разными исследователями получены достаточно близкие результаты, то оценки ЧПП довольно противоречивы. Сопоставим практикуемые в настоящее время четыре альтернативных метода оценки ЧПП лесных экосистем, реализованные на примере территории УрФО:
1) метод конверсионных коэффициентов (За-молодчиков, Уткин, 2000);
2) метод совмещения моделей ЧПП и фитомассы (Усольцев и др., 2004);
Фитомасса по: Усольцев, 1998, 2007, т/га 250 г (а)
200
150
100
50
1
50
100
150
200
250
250
200
150
100
50
(б)
50 100 150
Фитомасса по: Швиденко и др., 2002, 2007, т/га
200
Рис. 1. Сравнение оценок запасов абсолютно сухой общей (а) и надземной (б) фитомассы насаждений, полученной разными методами:
1 — по: Усольцев, 1998, 2007; 2 — по: Швиденко и др., 2007.
3) метод моделей хода роста фитомассы насаждений (Швиденко и др., 2007);
4) метод хлорофиллового индекса и фотосинтетического стока углерода (Воронин и др., 1995, 2004).
Д.Г. Замолодчиков и А.И. Уткин (2000) выполняют расчеты ЧПП на основе уравнений (метод 1)
Z/М = а0 + ах (1/4),
(2)
где Zj — годичная ЧПП фитомассы i-й фракции (хвои, ветвей, стволов, корней и нижнего яруса), т/га. При этом алгоритмы расчетов фитомассы и ЧПП исходят из одного общего блока "Данные ГУЛФ", но совершенно независимы один от другого (рис. 2а).
А.З. Швиденко с соавт. (2007) оценивают ЧПП по фактическим данным не первичной продукции, полученной на пробных площадях, а по исходным фактическим данным фитомассы насаж-
2
0
0
(а)
(б)
Рис. 2. Блок-схемы алгоритмов расчета фитомассы и ЧПП (углерода и его годичного депонирования) насаждений территориальных комплексов:
а - по: Замолодчиков, Уткин, 2000; б - по: Усольцев, 2007.
дений. Разработанные трехфакторные динамические модели фитомассы позволили авторам преобразовать модели роста в модели биологической продуктивности путем табулирования моделей фитомассы по таксационным показателям таблиц хода роста древостоев. Поскольку разность между двумя последовательными значениями полной продуктивности (включая отпад) экосистемы по фитомассе представляет собой ЧПП, динамика последней была получена на основе специального алгоритма, моделирующего процесс изменения полной продуктивности с возрастом насаждения.
Метод, предложенный нами (Усольцев и др., 2004), основан на применении рекурсивного принципа совмещения моделей фитомассы и ЧПП (рис. 2б), когда в число независимых переменных включены как возраст и запас древостоя, так и значения фитомассы хвои Р), корней (Рг) и
нижнего яруса (Ри) (при оценке ЧПП соответствующих фракций):
= f (1пА, 1пМ, 1пРг, 1пРг, 1пРи). (3)
Принятый нами метод расчета ЧПП на покрытых лесом землях (Усольцев и др., 2004) отличается от метода конверсионных коэффициентов (Замо-лодчиков, Уткин, 2000) тем, что фактические показатели ЧПП, полученные на пробных площадях, стыкуются посредством их регрессионных моделей не только с данными ГУЛФ, но и с результатами расчета количества фитомассы на тех же территориях по рекурсивному принципу (см. рис. 2б).
Сравнение полученных по двум методам результатов на примере лесопокрытых площадей Пермского края показало (Усольцев и др., 2009б), что оценки ЧПП по методу 1 завышают результаты оценок, выполненных по методу 2, в среднем в 3.5 раза: максимальное завышение (в 8 раз) - для
ЧПП по
50
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
2
30 -25 -20 -15
Усольцев, 2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.