Способ лесоводственного ухода за запасом насаждения
Владельцы патента RU 2542524:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (RU)
Изобретение относится к лесному хозяйству. В каждом однородном по таксационным показателям выделе насаждения на пробной площади определяют исходный возраст, средний диаметр на высоте груди, среднюю высоту деревьев, бонитет, количество растущих деревьев на 1 га. Для расчетов используют целевую функцию лесоводственного ухода за запасом, направленную на получение наибольшего выхода древесины стволов с 1 га за 1 год лесовыращивания, и определяют возраст и интенсивность разреживаний, для чего используют формулы объема стволов, динамики изменения запасов неразреживаемого и разреживаемого насаждений, динамики изменения среднего диаметра и средней высоты неразреживаемого и разреживаемого насаждений, динамики изменения количества растущих деревьев неразреживаемого насаждения и известного количества растущих деревьев разреживаемого насаждения после каждой рубки ухода с учетом заданного целевого диаметра насаждения, количества рубок ухода и путем иммитационных расчетов на ЭВМ численных показателей перебора вариантов возвратов рубок ухода через 1 год и интенсивности разреживаний по запасу через 1 процент получают наиболее эффективный вариант лесоводственного ухода по запасу на весь период лесовыращивания, определяют величины снижения возраста технической спелости насаждения по заданному целевому диаметру, определяют величины увеличения продуктивности древостоя в м3/га и в м3/(га·год). Способ позволит обеспечить повышение продуктивности лесоводственного ухода за запасом насаждения. 2 табл.
Изобретение относится к лесному хозяйству и предназначено для повышения продуктивности лесоводственного ухода за запасами в чистых насаждениях хвойных пород.
Известен способ лесоводственного ухода, представленный в инструкции «Наставление по рубкам ухода в равнинных лесах Европейской части России. - М. Агропромиздат: 1994. - 190 с.», в которой рассматривают уход за составом и уход за запасом. Уход за составом проводится при рубках ухода в смешанных насаждениях. Уход за запасом начинается с осветления, прочисток, прореживания с последующим проведением проходных рубок ухода. Целью ухода за запасом является увеличение текущего прироста путем удаления угнетенных, отставших в росте, засохших и фаутных деревьев в загущенных насаждениях для повышения продуктивности древостоев, что указывает на сходность существенных признаков для заявляемого изобретения.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе возраст, интенсивность рубок ухода рекомендуется достаточно приближенно, со снижением полноты лесонасаждений не ниже 0,8, что в целом не решает задачу эффективной максимизации продуктивности древостоев в м3 с 1 га за 1 год лесовыращивания.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является «Способ лесоводственного ухода», заключающийся в оценке состояния насаждении по отпаду, установлении потребности в рубке ухода и ее проведении (Патент РФ №2131662, A01G 23/02, A01G 23/00, опубл. 20.06.1999), который принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании этого прототипа способа относится то, что в этом способе проводят оценку состояния насаждения по характеру изменения величины естественного годичного отпада в период за 10÷12 лет до достижения насаждением предполагаемого возраста количественной спелости, определяют потребность в первой и второй рубках ухода по выявлению тенденции возрастания величины естественного годичного отпада и проводят их при превышении величины естественного годичного отпада над величиной среднегодичного прироста, соответствующего возрасту количественной спелости, соотносят разницу во времени между второй и первой рубками ухода с периодом изменения цикла солнечной активности и в случае их несовпадения корректируют путем проведения последующей рубки при следующем превышении естественного годичного отпада над величиной среднегодичного прироста, а в случае достижения совпадения потребности последующих рубок с периодом солнечной активности устанавливают потребность рубок только с этим периодом, составляющим 11 лет.
Недостатком этого прототипа способа являются:
- в способе нет однозначной целевой функции, критерия оптимальности лесоводственного ухода;
- ежегодный контроль естественного отпада в большом количестве однородных выделах насаждений разного возраста в лесничествах практически не осуществим.
Использование этого способа лесоводственного ухода не обеспечивает наибольшую продуктивность насаждения в м3/га за 1 год лесовыращивания для заданного целевого диаметра деревьев количественной (технической) спелости древостоя.
Сущность изобретения заключается в следующем. Способ лесоводственного ухода направлен на создание лесоводственных условий ускоренного достижения чистыми хвойными древостоями заданных целевых диаметров технической спелости деревьев с получением наибольшего возможного суммарного объема стволовой древесины от рубок ухода и главной сплошной рубки с 1 га за 1 год лесовыращивания, то есть обеспечить наибольшую продуктивность древостоев, что характеризует также оптимизацию возрастного увеличения площади питания деревьев в насаждении каждого бонитета с учетом ограничений по интенсивности разреживаний.
Целевая функция лесоводственного ухода за запасом насаждения в изобретении имеет вид
где V - общий объем древесины стволов от последней сплошной рубки и всех предыдущих рубок ухода в м3 с 1 га за один год лесовыращивания;
VTC - объем стволовой древесины от сплошной рубки в м3 с 1 га в возрасте достижения целевым диаметром технической спелости;
TC - возраст технической спелости насаждения по заданному целевому диаметру деревьев на высоте груди;
P=1, 2, …, n; n - количество рубок ухода за весь период лесовыращивания TC.
Запас, вырубаемый при каждой P-й рубке ухода,
где
ПР - процент вырубаемого запаса, %. Процент вырубаемого запаса при каждой рубке ухода численно варьируют в рекомендуемых лесоводами пределах 15%≤ПР≤40%.
Для точного вычисления объемов стволов используют известное их уравнение образующей (Петровский B.C. Автоматическая оптимизация раскроя древесных стволов. - М.: Лесная промышленность, 1970. - 184 с.)
где D - диаметр ствола на расстоянии h от нижнего комлевого сечения, м;
d0,5 - диаметр ствола на середине его длины, м;
H - длина ствола, м;
h - расстояние от нижнего сечения ствола до текущего диаметра D, м;
a 0, a 1, a 2, a 3, a 4 - постоянные коэффициенты уравнений боковой образующей стволов, которыми характеризуется каждая древесная порода, например сосна и пихта (табл.1).
Таблица 1 | |||||
Коэффициенты уравнения образующей стволов сосны и пихты | |||||
Порода | a 0 | a 1 | a 2 | a 3 | a 4 |
Сосна | 1,62 | -2,79 | 6,49 | -8,13 | 2,9 |
Пихта | 1,4 | -1,42 | 2,52 | -3,1 | 1,1 |
Используют формулу (3) для перехода от малодоступного диаметра на середине высоты d0,5 к доступному технологическому диаметру на высоте груди D1,3
где D1,3 - диаметр ствола на расстоянии 1,3 м от поверхности земли, м;
Подставляя выражение (4) в формулу (3) получают уравнение изменения диаметра по длине ствола (5)
Для вычисления объема ствола VTC используют диаметр на высоте груди D1,3 и длину ствола H или используют также диаметр на середине высоты d0,5, высоту ствола H
где F - постоянное видовое число стволов древесной породы, для сосны F=1.004.
Способ лесоводственного ухода за запасам насаждения решает задачу определения возраста, интенсивности разреживаний при рубках ухода на основе использования формул объема столов, динамики изменения запасов контрольного неразреживаемого и разреживаемого древостоев, формулы динамики изменения средней высоты, среднего диаметра контрольного и разреживаемого насаждения, формулы количества деревьев на 1 га контрольного древостоя.
Запасы контрольного неразреживаемого древостоя VT в возрасте T определяют по прошлогоднему запасу VT-1 и по текущему приросту растущей части насаждения
Если известно значение запаса древостоя VT0 в некотором начальном возрасте T0, то тогда запас неразреживаемого древостоя VT в возрасте T определяют по формуле (8)
где t - текущий возраст древостоя;
В этом способе рубки ухода проводят в высокополнотных одновозрастных насаждениях хвойных пород, где устанавливают зависимости приростов запаса:
где Zобщ - прирост общего запаса в возрасте T; Zpac - прирост растущей части древостоев в возрасте T для контрольных неразреживаемых древостоев.
Для чего используют местные региональные таблицы хода роста нормальных одновозрастных чистых древостоев хвойных пород и с помощью таблиц на ЭВМ получают уравнение регрессии общего прироста Zобщ
где T - возраст древостоя, лет; H - средняя высота древостоя, м; x0, x1, …, x8 - коэффициенты, которые для сосновых насаждений Центрального Черноземного региона России, например, I бонитета, имеют значения:
x0=3.95·10-3; x1=-1.054; x2=-1.41;
x3=4.277; x4=-5.95·10-2 x5=2.058·10-2;
x6=-4.435·10-5; x7=3.214·10-4; x8=4.565·10-6.
Прирост запаса растущей части контрольного древостоя Zpac имеет вид
где y0, y1, …, y8 - коэффициенты, которые для сосновых насаждений Центрального Черноземного региона России, например, I бонитета, имеют значения:
y0=5.77·10-2; y1=-1.364; y2=1.756·10-2;
y3=4.662; y4=-0.263; y5=4.756·10-2;
y6=1.198·10-3; y7=-4.206·10-4; y8=-8.971·10-6.
Уравнения (10) и (11) являются адекватными исходному материалу региональных таблиц хода роста древостоев по критерию Фишера.
Определение динамики изменения запасов разреживаемого древостоя основано на том, что если рубка ухода проведена правильно и не вызвала значительных повреждений остающихся деревьев, прирост в начале остается практически прежним, полнота постоянно возрастает и не исключается некоторый естественный отпад.
Поэтому запас разреживаемого древостоя
где
Формулу (12) применяют для расчета методом численного имитационного моделирования вариантов изменения запаса разреживаемого насаждения при рубках ухода.
Соотношение между средним диаметром и средней высотой растущих деревьев не зависит от рубок ухода, а является функцией от возраста насаждения, бонитета и полноты (Сеннов С.Н. Рубки ухода за лесом. - М.: Лесная промышленность, 1977. - 160 с.)
На этой основе используют региональные таблицы хода роста, получают регрессионные модели возрастного изменения высоты H
где T - возраст насаждения, лет; D1,3 - диаметр деревьев на высоте груди, м; m0, m1, …, m8 - коэффициенты, которые для сосновых насаждений Центрального Черноземного региона России, например, I бонитета, имеют значения:
m0=-2.044·10-2; m1=1.743; m2=3.588·10-2;
m3=-2.771; m4=0.347; m5=-0.244;
m6=2.718·10-5; m7=8.037·10-5; m8=-7.563·10-7.
Уравнение (14) является адекватным данным региональных таблиц хода роста древостоев по критерию Фишера.
Используя региональные таблицы хода роста древостоев и количество деревьев N на 1 га для высокополнотных нормальных хвойных насаждений в зависимости от возраста, находят уравнение регрессии (14)
Для сосновых насаждений I бонитета Центрального Черноземного региона коэффициенты имеют значения:
k0=4.41·10-8; k1=-2.134·10-5; k2=4.249·10-3; k3=-0.448;
k4=26.808; k5=-895.17; k6=14416;
Для региональных таблиц хода роста древостоев уравнение (14) является адекватным по критерию Фишера.
Запас древостоя определяют по формуле (15)
Запас контрольного насаждения и запас разреживаемого насаждения зависит от среднего диаметра (D1,3), возраста (T), бонитета (B) и количества деревьев на 1 га (N)
V=V(D1.3, T, B, N).
Имея формулы объема стволов (6) и (7), текущих приростов общих и растущих частей (10), (11) контрольных насаждений, запасов контрольных насаждений (8) и (9), запаса разреживаемого древостоя (12), зависимости высоты деревьев от возраста, диаметра на высоте груди и бонитета (13), количества деревьев на 1 га (14), используя исходные данные по пробной площади однородного выдела насаждения о возрасте древостоя и его бонитете, среднем диаметре на высоте груди и задаваясь величиной целевого диаметра технической спелости деревьев, количества предстоящих рубок ухода, а также диапазоном изменения процента вырубаемого запаса при каждой рубке ухода (15%≤ПР≤40%), проводят имитационное моделирование с численным решением задачи максимизации целевой функции лесоводственного ухода за запасом насаждения
и путем имитационного перебора вариантов возраста через 1 год и интенсивностей разреживаний через 1 процент в заданных пределах. Получаются результаты оптимизации лесоводственного ухода за запасом насаждений: виды и оптимальные возрасты рубок ухода, интенсивность разреживаний в долях единицы, ожидаемый целевой диаметр на высоте груди, количество остающихся деревьев на 1 га, вырубаемый запас м3/га, площадь питания деревьев в м2 после рубки ухода.
Таблица 2 | ||||||
Оптимальные режимы рубок ухода в сосновых насаждениях I бонитета Центрального Черноземного региона, начиная с возраста 10 лет | ||||||
Вид рубки | Возраст T, лет | Интенсивность разреживания | Диаметр на высоте груди D1.3, см | Количество деревьев на 1 га, шт | Вырубаемый запас, м2/га | Площадь питания деревьев, м2 |
Осветление | 10 | 0,338 | 3,5 | 7737 | 11,4 | 1,29 |
Прочистка | 20 | 0,312 | 8,3 | 4276 | 32,9 | 2,34 |
Прореживание | 36,5 | 0,268 | 16,2 | 2005 | 65,4 | 5,00 |
Проходная | 58 | 0,212 | 26,2 | 1082 | 85 | 9,24 |
Сплошная рубка | TC=81 | 1,00 | 36,2 | 632 | 524 | 45,82 |
Всего | 718 | |||||
Неразреженный контрольный древостой | 81 | - | 30,5 | 610 | 546 | 16,3 |
TC=103 | - | 36,2 | 453 | 635 | 22,0 |
Для примера в табл.2 представлены оптимальные режимы способа лесоводственного ухода за запасом в сосновых насаждениях I бонитета Центрального Черноземного региона России с заданным целевым диаметром технической спелости 36 см, количеством рубок ухода n=4 начиная с возраста T=10 лет.
Целевой диаметр технической спелости деревьев в 36,2 см при рубках ухода достигается через 81 год, а в неразреживаемых древостоях через 103 года.
Снижение возраста технической спелости деревьев с целевым диаметром D1,3=36,2 см при рубках ухода за лесом составило
103-81=22 (год) или 21,4%.
Повышение продуктивности древостоев при рубках ухода
718-635=83 м3/га или на 13%.
Продуктивность древостоев в м3/(га·год):
При рубках ухода
В контрольном древостое
Эффективность оптимального управления лесоводственным уходом за запасом соснового насаждения I бонитета составила
8,86-6,16=2,7 м3/(га·год).
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что прототип способа лесоводственного ухода, заключающийся в оценке состояния насаждения по отпаду, установлении потребности в рубке ухода и ее проведении не достигает технического результата заявленного способа лесоводственного ухода за запасом чистых хвойных насаждений, отличающегося использованием целевой функции лесоводственного ухода за запасом, направленной на получение наибольшего выхода стволовой древесины с 1 га за 1 год лесовыращивания, с определением возрастов и интенсивностей разреживаний на основе использования исходных данных пробной площади однородного выдела насаждения по диаметру, возрасту, количеству деревьев на 1 га древостоя и формул объема стволов, динамики изменения запасов контрольного неразреживаемого и разреживаемого насаждения, динамики изменения средней высоты, среднего диаметра контрольного и разреживаемого древостоев, динамики изменения количества деревьев на 1 га неразреживаемого насаждения и заданного количества рубок ухода, и методом численного анализа результатов имитационного перебора на ЭВМ возможных вариантов режимов рубок ухода через 1 год на возрасте и интенсивности разреживаний через 1 процент получают наиболее эффективный вариант оптимизации лесоводственного ухода по запасу с определением величины снижения возраста технической спелости насаждения по заданному целевому диаметру технической спелости деревьев, величины увеличения продуктивности деревьев в м3/га и в м3/(га·год) лесовыращивания.
Разработанный способ лесоводственного ухода за запасом насаждения соответствует современным технологиям использования электронных лесоизмерительных и вычислительных инструментов численного решения задач определения возрастов, интенсивности разреживаний насаждений на весь период лесовыращивания каждого однородного выдела древостоя чистых хвойных пород.
Способ лесоводственного ухода за запасом насаждения, заключающийся в оценке состояния насаждения, установлении потребности в рубке ухода и ее проведении, отличающийся тем, что оценку состояния одновозрастного хвойного насаждения проводят путем таксации пробной площади однородного выдела с определением контролируемого исходного возраста, среднего диаметра, средней высоты деревьев, бонитета, количества деревьев на 1 га, с использованием целевой функции лесоводственного ухода за запасом, направленной на получение наибольшего выхода древесины стволов с 1 га за 1 год лесовыращивания, с определением возрастов и интенсивности разреживаний, для чего используют формулы объема стволов, динамики изменения запасов неразреживаемого и разреживаемого насаждений, динамики изменения средней высоты, среднего диаметра деревьев неразреживаемого и разреживаемого насаждений, динамики изменения количества растущих деревьев неразреживаемого насаждения и известного расчетного количества растущих деревьев разреживаемого насаждения после каждой рубки с учетом заданного целевого диаметра технической спелости насаждения, количества рубок ухода и путем расчетов на ЭВМ численных показателей перебора вариантов режимов рубок через 1 год и интенсивности разреживаний по запасу через 1 процент получают наиболее эффективный вариант оптимизации лесоводственного ухода по запасу на весь период лесовыращивания с определением величины снижения возраста технической спелости насаждения по заданному целевому диаметру, с определением величины увеличения продуктивности древостоя в м3/га и в м3/(га·год) лесовыращивания.