Моделювання фітомаси кущів Salix Cinerea L. у природних фітоценозах Чернігівського Полісся

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання фітомаси кущів Salix Cinerea L. у природних фітоценозах Чернігівського Полісся

Вступ

Швидкий розвиток продуктивних сил людського суспільства, протягом ХХ ст., сприяв поглибленому дослідженню ресурсного та енергетичного потенціалу рослинності. Розкриття аспектів продуктивності фітоценозів дає змогу вирішити проблеми раціонального природокористування та визначити місце конкретних рослинних угруповань у функціонуванні екосистеми. На сьогодні, найбільш вивченими з цього питання є лісові насадження, що зумовлено передусім важливим господарським значенням деревини. Інші фітоценози досліджені значно менше, хоча їхню роль не можна недооцінювати. Особливо, якщо це стосується екологічної, енергетичної чи продовольчої безпеки регіону чи навіть держави.

Зменшення інтенсивності ведення сільського господарства на осушених землях та поступовий занепад меліоративної системи на більшій території Українського Полісся у 90-х роках ХХ ст., сприяв швидкому відновленню природних екосистем з надмірною зволоженістю. Значну частину таких територій зайняли чагарникові верби, які виступили у ролі видів-піонерів. Беручи активну участь у сук- цесіях, чагарникові верби сформували на зволожених площах своєрідні чагарникові фітоценози, де найбільшого поширення набула верба попеляста (рис. 1). Ці рослинні угруповання виконують низку важливих екологічних функцій (водорегуля- тивна, депонування вуглецю, продукування кисню та ін.) та мають важливе господарське значення, зокрема для мисливського господарства - утворюють природі кормові та захисні ремізи для більшості видів мисливських тварин регіону.

Рис. 1. Кущ Salix cinerea

У зв'язку з відсутністю попередніх досліджень з цього питання на теренах України та незначним доробком на територіях ближнього зарубіжжя [4, 5], виникла необхідність у детальнішому вивчені ресурсного та екологічного потенціалу верби попелястої, зокрема у Чернігівському Поліссі.

Методика та матеріали. Польові роботи проведено на основі загальноприйнятої методики фракційного поділу надземної та підземної фітомаси. Оцінку надземної фітомаси окремих кущів верби попелястої виконано на базі розроблення господарствоних методичних прийомів [1], з урахуванням досвіду загальноприйнятих методик [2, 6, 8]. Виділено такі компоненти надземної фітомаси куща: листя, однорічні пагони, тонкі пагони (до 0,50 см), середні пагони (0,51-1,00 см), грубі пагони (більші 1,00 см), також виокремлено центральний (осьовий) пагін і мортмасу.

Підземну фітомасу встановлено на базі археологічного (скелетного) методу "Розкопування та відмивання скелетного коріння модельних кущів” [8, с. 36-49]. Цей спосіб передбачає повне або часткове викопування скелетних коренів, з окремим відбором зразків для встановлення маси тонких фракцій коріння. Виокремлено компоненти підземної фітомаси: тонке коріння (до 0,50 см), середнє коріння (0,51-1,00 см) та грубе коріння (більше 1,00 см), а також виділено основу куща (частина кореневої системи куща, що безпосередньо примикає до надземної).

Збір польового матеріалу проведено протягом 2011-2013 рр. на території Козелецького, Ріпкинського, Городнянського та Щорського адміністративних районів Чернігівської області. Всього відібрано 44 екземпляра кущів верби попелястої з зняттям біометричних показників та встановленням надземної фітомаси, в тому числі: з викопуванням та зважуванням підземної частини (кореневої системи) - 22 шт., виділенням модельних стовбурців - 20 шт. Відібрано 69 деревних зрізів та наважок стебел (пагонів), 24 зрізи та наважки коріння, 120 модельних стовбурців, 58 наважок листя та 56 наважок однорічних пагонів. Результати статистичного аналізу зібраних дослідних даних показників кущів наведено у табл. 1.

Моделювання фітомаси кущів верби попелястої можна здійснювати обравши вхідними параметрами: вік, кількість пагонів, середній діаметр крони і висоту куща. Найбільше практичне значення для оцінки маси органічної речовини мають: діаметр крони та висота, у зв'язку з легкістю встановлення даних біометричних показників у польових умовах. Всебічне дослідження залежностей між цими параметрами є основою для розробки математичних моделей.

Табл. 1. Описові статистики основних показників встановлених у кущів

Результати

Табл. 2. Рангові кореляції Спірмена між показниками верби попелястої

На базі зібраних польових матеріалів здійснено графоаналітичний та кореляційних аналіз отриманих даних. Кореляційний аналіз виконано на пакеті програм Statistica 10 за допомогою коефіцієнтів рангової кореляції Спірмена (r_s) (табл. 2) [3, с. 238-244], де використані та надалі будуть застосовуватися такі умовні позначення показників куща: A - вік, років; N - кількість пагонів, шт.; H - висота, м; D - середній діаметр крони, м; Q_A, Q_R, Q_T -відповідно, надземна, підземна та загальна фітомаса куща, кг.

Табл 3

Результати кореляційного аналізу (табл. 2) свідчать, що всі наявні зв'язки між параметрами верби попелястої є статистично значущими з перевагою дуже сильних та сильних зв'язків (r_s>0,70).

З-поміж біометричних показників найсильнішими зв'язки з фітомасою куща (Q_A, Q_R, Q_T) виявилися у діаметра крони (D): r_s становив 0,98, 0,93 і 0,94 відповідно; найслабші з кількістю пагонів (N): r_s становив 0,83, 0,65 і 0,63 відповідно.

Графічна інтерпретація значень надземної та підземної фітомаси модельних кущів від висоти та діаметра крони (рис. 2-3) дозволила з'ясувати, що ці залежності можна описувати степеневими та експоненціальними функціями.

Аналіз графіків одразу вказує про значно більше відхилення значень використовуваних параметрів від можливих ліній (кривих) трендів для підземної фітомаси (рис. 3) у порівняні з надземною (рис. 2), що зумовлено передусім складнощами проведення польових робіт з дослідження кореневої системи кущів та можливістю втрат частини тонких коренів.

На основі зібраних деревних зрізів пагонів та коріння, а також їхніх наважок розраховано якісні показники фітомаси.

Статистичну характеристику отриманих параметрів деревних зрізів пагонів наведено у табл. 3 для вмісту абсолютно сухої речовини деревини, кори та зрізів у корі; природної та базисної щільності деревини і кори; відсотка кори за масою у свіжозрізаному (СЗС) і абсолютно сухому (АСС) станах. гона - 440±⁶⁰ кг- м^-3; гілок - 410±⁵⁰ кг- м^-3) природних фітоценозів Швеції [9], свідчать про подібність значень базисної щільності деревини порівнювальних верб, у зв'язку з перекриттям їхніх довірчих інтервалів.

Можна говорити про незначну різницю у середньозважених значеннях базисної щільності деревини чагарникових верб, яка спричинена передусім умовами місцезростання та видовими особливостями її структури.

Табл. 4. Рангові кореляції Спірмена між параметрами зрізів пагонів

Подальший аналіз зв'язків між переліченими показниками, а також діаметром у корі та без кори деревних зрізів пагонів (табл. 4) виявив переважання статистично незначущих кореляцій за 95 %-го рівня достовірності, а ті, що виявилися значущі, характеризуються малою часткою сильних та дуже сильних.

Побудова математичних моделей, придатних до подальшого використання з метою встановлення значень якісних показників стебла, можлива лише при встановленні характеру їхньої залежностей від товщини. З табл. 4 випливає, що створення достовірних регресійних рівнянь [7] є неможливим.

Найбільш придатний для подальшого використання показник з метою встановлення маси фракції пагонів куща в абсолютно сухому стані є частка абсолютно сухої речовини зрізу у корі (добуток цього параметра на вагу пагонів у свіжозрубаному стані внаслідок дає масу в абсолютно сухому стані).

За результатами досліджень зразків листя та однорічних пагонів у свіжозібраному та абсолютно сухому станах встановлено частку абсолютно сухої речовини для листя (Ј_л = 0,443) та однорічних пагонів (s₀ = 0,458).

Табл. 6. Описові статистики параметрів зрізів та наважок коріння

Статистики визначених якісних показників зрізів підземної фітомаси без поділу на категорії товщини наведено у табл. 6.

Кореляційний аналіз виявив, що якісні показники зрізів кореневої системи мають сильніший зв'язок з фракціями підземної фітомаси від яких їх виокремили (з основи куща; тонкого, середнього чи грубого коріння), ніж від їхнього діаметра (r_s більше у 1,5-3,0 рази). Подальші дослідження дозволили з'ясувати, що частка абсолютно сухої речовини компонентів підземної фітомаси схожа у середніх Лісове та садово-паркове господарство

та грубих корнів з виключенням тих, що увійшли до основи кореня. Тобто можна виділити три групи коріння, що мають різний вміст абсолютно сухої речовини: тонке (s_T._K = 0,32^і0,030), середнє і грубе коріння мінус основа кореня (s_r._K = 0,39^і0,016) та основа кореня (s₀._K = 0,54^і0,026).

На базі польових даних та якісних показників фітомаси сформовано масив для моделювання фітомаси кущів верби попелястої в абсолютно сухому стані (Q_a, Q_r). Вихідними параметрами для розробки рівнянь були взяті висота та середній діаметр крони куща. Окремих математичних моделей для оцінки загальної фітомаси (Q_t) не створювали, оскільки вона є сумою надземної та підземної фітомаси. Включення у структуру рівнянь середнього діаметра крони та висоти куща пояснюється наявністю у цих показників сильних кореляцій з фітомасою куща, та легкістю отримання їх у польових умовах.

За допомогою пакету програм Statistica 10 розроблено математичні моделі для оцінювання надземної та підземної фітомаси кущів верби попелястої в абсолютно сухому стані: висота куща для рівняння зі встановлення кореневої маси не використовувалася, оскільки її видалення із структури рівнянь істотно не змінює змодельовані значення (формули 1-3) [7]. Рівняння (1-2) пояснюють понад 90 % варіації незалежної змінної, тоді як у (3) коефіцієнт дискримінації становить лише 0,76. Показники регресії, що виходили за межі інтервалів похибок, не вилучалися. Загалом отримані моделі відповідають природі росту та розвитку куща. Особливістю росту кущів у ранньому віці є їхня конкуренція з прилеглою трав'яною рослинністю, сила і тривалість якої залежить від оточуючих рослинних формацій (в очеретяних заростях боротьба за світло не дає змоги сформуватися компактній кроні куща до досягненням висоти у 2 метри), що водночас спричиняє значну мінливість всіх біометричних показників у ранньому віці.

Q_a = 0,996 ¦ D ¹'⁸⁸⁴ ¦ H ⁰,⁷⁴⁶; R²=0,92(1)

Q_a = 1,597 ¦ D ^2,188 R²=0,91(2)

Q_r = 0,0387 ¦ exp (1,988 ¦ D); R²=0,76(3)

На базі розроблених моделей створено нормативи для оцінки фітомаси кущів верби попелястої. Фрагмент нормативів наведено у табл. 7.

Табл. 7. Загальна надземна фітомаса кущів верби попелястої в абсолютно сухому стані, кг

Висновки

Опрацювавши матеріали з фітомаси кущів верби попелястої, зроблено такі узагальнення.

Кореляційний аналіз між біометричними показниками та фітомасою виявив наявність лише значущих коефіцієнтів з абсолютною перевагою сильних та дуже сильних зв'язків (r_s>0,70). Серед біометричних показників найслабші зв'язки з розглянутими типами фітомаси куща виявилися у кількості пагонів, найсильнішими з діаметром крони.

Визначено якісні показники надземної фітомаси: вміст абсолютно сухої речовини листя (0,443), однорічних пагонів (0,458), деревини (0,597), кори (0,449) та зрізів стебел у корі (0,544); природна щільність деревини (821 кг-м^-3) та кори (1012 кг-м^-3); базисна щільність деревини (473 кг-м^-3) і кори (437 кг-м^-3); відсоток кори за масою у свіжозрізаному (36,4 %) і абсолютно сухому (30,1 %) станах. Порівняння якісних показників надземної фіто маси, отриманих для верби попелястої з іншими м'яколистяними породами, виявило подібність між окремими їхніми значеннями. Зіставлення базисної щільності деревини Salix cinerea з пересічними значеннями отриманих у Швеції для Salix caprea та Salix pendantra, вказують на їхню схожість.

Пересічні значення якісних показників підземної фітомаси за результатами оброблення кореневих зрізів склали: вміст абсолютно сухої речовини деревини (0,472), кори (0,401) та зрізів коріння у корі (0,411); природна щільність деревини (866 кг-м^-3) та кори (1030 кг-м^-3); базисна щільність деревини (400 кг-м^-3) та кори (410 кг-м^-3); відсоток кори за масою у свіжозрізаному (49,2 %) та абсолютно сухому (46,4 %) станах. Моделювання фітомаси кореневої системи здійснювалося на базі виділених компонентів підземної фітомаси.

Розроблено математичні моделі оцінки надземної і підземної фітомаси кущів верби попелястої. На їхній основі створені нормативи для встановлення надземної, кореневої та загальної фітомаси кущів природних фітоценозів Чернігівського Полісся, придатних для інформаційного забезпечення встановлення ресурсного та екологічного потенціалу ландшафтів з переважанням у складі верби попелястої.

Література

фітомаса верба полісся

1. Білоус А.М. Методичні особливості дослідження надземної фітомаси чагарникових верб у природних фітоценозах / А.М. Білоус, Д.М. Голяка, О.О. Аврамчук // Біоресурси і природокористування : наук. журнал. - К. : Вид. центр НУБіП України. - 2012. - № 5-6. - С. 112-115.

2. Лакида П.І. Біопродуктивність та енергетичний потенціал м'яколистяних деревостанів Українського Полісся / П.І. Лакида, А.М. Білоус, Р.Д. Василишин, Я.І. Макарчук. - Корсунь-Шевчен- ківський : ФОП Гавришенко В.М., 2012. - 454 с.

3. Лакин Г.Ф. Биометрия : учебн. пособ. [для студ. биол. спец. ВУЗов] / Г.Ф. Лакин. - Изд. 4ое, [перераб. и доп.]. - М. : Изд-во "Высш. шк.", 1990. - С. 18-305.

4. Левицкий И.И. Ива и ее использование [по материалам обследования и лесоустройства ивняков Нижней Волги] / И.И. Левицкий. - М. : Изд-во "Лесн. пром-сть", 1965. - С. 33-68.

5. Логинова Л.А. Продуктивность и энергетический потенциал ивовых ценозов на примере Воронежской области : дис. ... канд. биол. наук: спец. 03.02.08 - "Экология" / Людмила Александровна Логинова. - Воронеж, 2010. - С. 63-83.

6. Родин Л.Е. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах / Л.Е. Родин, Н.П. Ремезов, Н.И. Базилевич. - Л. : Изд-во "Наука", 1967. - 145 с.

7.Терентьєв А.Ю. Використання комп'ютерних технологій для статистичної оброблення інформації у лісовому господарстві / А.Ю. Терентьєв, В.М. Володимиренко, О.П. Бала // Науковий вісник НУБіП України : зб. наук. праць. - Сер.: Лісівництво та декоративне садівництво. - К. : Лісове та садово-паркове господарство

8.Усольцев В. А. Биологическая продуктивность лесов Северной Евразии: методы, база данных и ее приложение / В.А. Усольцев, С.В. Залесов. - Екатеринбург : Изд-во УрО РАН, 2007. - 636 с.

9.Sennerby-Forse L. Wood structure and quality in natural stands of Salix caprea L. and Salix pen- tandra L. / L. Sennerby-Forse // Studia Forestalia Suecia: Department of Ecology and Environmental Research. Swedish University of Agricultural Sciences. - 1989. - № 189. - 17 p. [Electronic resource]. - Mode of access http://pub.epsilon.slu.se/4515/1/SFS182.pdf.

Размещено на Allbest.ru