Сукцессии в лесной экосистеме и динамика лесного фонда.

При количественном изучении динамики растительного покрова для получения целостной картины необходимо подразделять множество типов растительности на более или менее укрупненные единицы и изучать их взаимопревращения во времени. Примером такого процесса прогрессивного развития растительного покрова является классическая сукцессия (смена типов растительного покрова) после вырубки площади, занятой климаксовым (коренным) типом леса, изображенная схематически на рис. 2.1.

Еловый лес

Вырубка

Трава и кустарники

Лиственный лес

Рис.2.1. Пример типичной сукцессии ельников таежной зоны.

Таким образом, под сукцессией следует понимать последовательную смену на данной территории типов растительного покрова. Различают сукцессии прогрессивные и регрессивные, первичные и вторичные.

Большое значение изучение хода экологических сукцессий имеет в лесопользовании, так как позволяет научно обоснованно устанавливать величину расчетной лесосеки, при которой не будет происходит истощения лесосырьевой базы.

Пусть существует n типов состояний растительного покрова;

a_ij – интенсивность перехода единицы площади из i-го в j-е состояние,

(2.1)

 

где t_ij - время, необходимое для смены i-го типа лесонасаждений на j-й.

S_i – площадь под i-м типом лесонасаждений.

 

Тогда

(2.2)

 

При большом n анализ динамики лесного фонда с помощью уравнения (2.2) требует применения компьютеров. Рассмотрим упрощенный случай, когда n=3 и весь лесной фонд классифицируется на три категории состояния: вырубки и гари, лиственные леса промежуточных стадий сукцессии и хвойные насаждения. Их взаимные переходы описываются схемой (рис.2.2).

k

m

l

Рис. 2.2 Расчетная схема динамикиплощадей лесного фонда по категориям состояния.

S1

S2

S3

Здесь m - интенсивность зарастания вырубок или гарей лиственными лесами промежуточных стадий сукцессии; l - интенсивность смены насаждений лиственных пород хвойными; k - интенсивность вырубки хвойных лесов.

В этом случае динамика переходов площадей из состояния в состояние удовлетворяет следующей системе уравнений:

(2.3)

 

Кроме того, выполняется соотношение баланса площадей:

 

                                                          (2.4)

 

Из соотношений (2.3), (2.4) призаданных m, l, k можно определить распределение площадей лесного фонда по трем типам состояний и наоборот, зная динамику площадей можно оценить параметры математической модели.

Представляет особый интерес стационарное распределение площадей лесного фонда, которое реализуется в том случае, если , i=1, 2, 3.

Такое распределение еще называют финальным, так как оно является предельным распределением площадей лесного фонда при бесконечном или очень большом времени переходов для любого начального распределения площадей. Из соотношений (2.3), (2.4) и условия стационарности распределения легко получить следующие выражения для стационарных площадей:

 

; ;                             (2.5)

 

Где:

S_i– стационарная площадь i-го типа лесонасаждений;

P=(ml+mk+lk)

Из приведенных выше формул видно, что финальное распределение площадей по категориям состояния определяется величинами кинетических коэффициентов модели, которые играют решающую роль в динамике лесного фонда. Так, если положить m=0,02, l=0,01, k=0,1, то получим, что в пределе площадь под вырубками будет составлять 31,3% всей площади лесов, площадь под лиственными породами промежуточных стадий сукцессии – 62,6%, а под наиболее ценными, хвойными породами – 61,6% всех лесных площадей.

Величина кинетического коэффициента показывает долю площади соответствующего типа лесонасаждений, переходящую за год в следующее сукцессионное состояние. Так, в приведенном выше примере k= 0,1 говорит о том, что за год вырубается десятая часть площади хвойных насаждений, что довольно много, поэтому в финальном распределении площадей лесного фонда доля хвойных пород так мала.

Сформулируем теперь общее правило составления уравнений, описывающих сукцессионные смены пород. В левой части каждого из них стоит производная по времени величины площади какого-то (i-го) типа насаждений. В правой части – сумма произведений площадей всех типов насаждений, которые могут переходить в данное, на интенсивности переходов, минус суммарная интенсивность всех переходов, выводящих насаждение из данного состояния, умноженная на его площадь.

Усредненные данные об интенсивности переходов в процессе сукцессионных смен пород можно получить из табл. 2.1.

Модели динамики лесного фонда позволяют учитывать отчуждение лесных площадей под жилищное, транспортное, промышленное строительство и для нужд сельского хозяйства, являясь хорошим инструментом для прогноза последствий таких изъятий. На их основе возможна постановка задач оптимального управления процессами эксплуатации лесов.

 

Контрольное задание.

1) Определить финальное распределение площадей лесного фонда по трем типам состояний, если процесс зарастания вырубок древостоями лиственных пород занимает срок 60 лет, затем хвойные сменяют лиственные за 110 лет и один раз в 100 лет все площади, занятые хвойными породами, вырубаются.

2) Допустим, что процесс зарастания вырубок древостоями лиственных пород занимает срок 50 лет, хвойные сменяют лиственные за 100 лет. Необходимо, чтобы площадь вырубок в составе всего лесного фонда не превосходила 8%, какова для выполнения этого условия должна быть интенсивность рубок в хвойной части лесонасаждений.

3) По данным таблицы 2.1 построить систему уравнений, описывающую динамику смены пород для каждого типа рельефа, определить финальное распределение площадей по видам насаждений при суммарной площади S=100 ед.

 

Таблица 2.1

Времена переходов насаждений из состояния в состояние в процессе сукцессионных смен пород в различных условиях рельефа местности Приангарской тайги (t_ij, лет)

 

Вариант 1

Насаждения	1	2	3	4	5
1 – вырубки, гари		5
2 – осиновый лес			60
3 – пихтово-осиновый лес				115	100
4 – осиново-пихтовый лес					50
5 – пихтовый лес	100			50

 

Вариант 2

Насаждения	1	2	3	4	5
1 – вырубки, гари		10
2 – лиственно-осиновый лес			90		650
3 – пихтово-кедровый лес				7
4 – пихтовый лес					75
5 – кедрово-пихтовый лес	100			25

 

Вариант 3

Насаждения	1	2	3	4	5
1 – вырубки, гари		50	100
2 – березовый лес			60
3 – пихтово-березовый лес				100	30
4 – березово-пихтовый лес					55
5 –пихтовый лес	100			40

 

Вариант 4

Насаждения	1	2	3	4
1 – вырубки, гари		60	300
2 – елово-березово-пихтовое редколесье				70
3 – елово-кедрово-лиственничный лес				100
4 – кедрово-елово-пихтовый лес	100		30

 

Занятие 3.