СПОСОБ ЛЕСОВОДСТВЕННОГО УХОДА ЗА ЗАПАСОМ НАСАЖДЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК A01G23/00 

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 D_1.3, 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 T_C=81 1,00 36,2 632 524 45,82 Всего         718   Неразреженный контрольный древостой 81 - 30,5 610 546 16,3 T_C=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.

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.

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.