RU2542524C1 - Способ лесоводственного ухода за запасом насаждения - Google Patents

Abstract

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.

Description

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

$$V=\frac{V_{TC}+{\displaystyle \sum _{P=1}^n\Delta {\tilde{V}}_P}}{T_C}\to \max ,(1)$$

где V - общий объем древесины стволов от последней сплошной рубки и всех предыдущих рубок ухода в м³ с 1 га за один год лесовыращивания;

V_TC - объем стволовой древесины от сплошной рубки в м³ с 1 га в возрасте достижения целевым диаметром технической спелости;

T_C - возраст технической спелости насаждения по заданному целевому диаметру деревьев на высоте груди;

$${\displaystyle \sum _{P=1}^n\Delta {\tilde{V}}_P}$$

- объем стволовой древесины от всех рубок ухода в м³ с 1 га за весь период лесовыращивания T_C,

P=1, 2, …, n; n - количество рубок ухода за весь период лесовыращивания T_C.

Запас, вырубаемый при каждой P-й рубке ухода, $$\Delta {\tilde{V}}_P$$

вычисляют по формуле (2)

$$\Delta {\tilde{V}}_P={\tilde{V}}_P\frac{{П}_{Р}}{100},(2)$$

где $${\tilde{V}}_P$$

- текущее значение запаса древесины стволов разреживаемого древостоя на момент P-й рубки ухода, м³/га;

П_Р - процент вырубаемого запаса, %. Процент вырубаемого запаса при каждой рубке ухода численно варьируют в рекомендуемых лесоводами пределах 15%≤П_Р≤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;

d_0,5 - 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 d_0,5 к доступному технологическому диаметру на высоте груди D_1,3

$$d_{0.5}=\frac{D_{1.3}}{f\left(\frac{1.3}{H}\right)},(4)$$

где D_1,3 - 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 D_1,3 и длину ствола H или используют также диаметр на середине высоты d_0,5, высоту ствола H

$$V_{CT}=\frac{\pi }{4}{\displaystyle \underset{0}{\overset{H}{\int }}{D}^{2}dh}$$

или $$V_{CT}=\frac{\pi }{4}{d}_{0.5}^2\cdot H\cdot F,(6)$$

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 V_T в возрасте T определяют по прошлогоднему запасу V_T-1 и по текущему приросту растущей части насаждения $$Z_{T-1}^{рас}$$

$$V_T=V_{T-1}+Z_{T-1}^{рас}.(7)$$

Если известно значение запаса древостоя V_T0 в некотором начальном возрасте T₀, то тогда запас неразреживаемого древостоя V_T в возрасте T определяют по формуле (8)

$$V_T=V_{T_0}+{\displaystyle \sum _{t=T_0}^{T-1}{Z}_t^{рас}},(8)$$

где t - текущий возраст древостоя; $${\displaystyle \sum _{t=T_0}^{T-1}{Z}_t^{рас}}$$

- общий прирост растущей части контрольного древостоя от начала при возрасте T₀ до возраста T-1.

В этом способе рубки ухода проводят в высокополнотных одновозрастных насаждениях хвойных пород, где устанавливают зависимости приростов запаса:

$$\begin{array}{l}{Z}^{общ}=Z^{общ}(\begin{array}{cc}T,& H\end{array})\\ Z^{рас}=Z^{рас}(\begin{array}{cc}T,& H\end{array})\end{array}\},(9)$$

где Z_общ - прирост общего запаса в возрасте T; Z_pac - 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 Z_общ

$$\begin{array}{l}{Z}^{общ}=x_0+x_{1}T+x_2{T}^2+x_{3}H+x_4{H}^2+\\ +x_{5}T\cdot H+x_{6}T\cdot H^2+x_7{T}^{2}H+x_8{T}^2{H}^2,(10)\end{array}$$

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 Z_pac 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 $${\tilde{V}}_T$$

в возрасте T определяют по формуле (12)

$${\tilde{V}}_T={\tilde{V}}_{T0}+{\displaystyle \sum _{t=T_0}^{T_1}{Z}_t^{рас}}+{\displaystyle \sum _{t=T_0}^T(Z_t^{общ}-{\tilde{V}}_T\cdot K_0)-{\displaystyle \sum _{P=1}^n\Delta {\tilde{V}}_P}},(12)$$

где $${\tilde{V}}_T$$

- запас разреживаемого древостоя в возрасте T, м³/га; $${\tilde{V}}_{T0}$$

- запас древостоя до проведения первой рубки ухода в некотором начальном возрасте T₀, м³/га; K₀=0,1÷0,2% - среднегодовой процент отпада запаса после проведения рубок ухода; $$\Delta {\tilde{V}}_P$$

- часть запаса, удаляемого при Р-й рубке ухода, м³/га; T₁ - возраст проведения первой рубки ухода, лет; n - количество рубок ухода, проведенных за период возраста от T₀ до T.

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; D_1,3 - 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)

$$N=k_0{T}^6+k_1{T}^5+k_2{T}^4+k_3{T}^3+k_4{T}^2+k_{5}T+k_6.(14)$$

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)

$$V=V_{CT}\cdot N,(15)$$

Запас контрольного насаждения и запас разреживаемого насаждения зависит от среднего диаметра (D_1,3), возраста (T), бонитета (B) и количества деревьев на 1 га (N)

V=V(D_1.3, 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%≤П_Р≤40%), проводят имитационное моделирование с численным решением задачи максимизации целевой функции лесоводственного ухода за запасом насаждения

$$V=\frac{V_{TC}+{\displaystyle \sum _{P=1}^n\Delta {\tilde{V}}_P}}{T_C}\to \max$$

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 D_1,3=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 $$\frac{V}{T_C}=\frac{718}{81}=8.86{м}^3/(га\cdot год)$$

.

В контрольном древостое $$\frac{V}{T_C}=\frac{635}{103}=6.16{м}^3/(га\cdot год)$$

.

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.

Claims (1)

1. 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.