Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

Cпособ анализа относительного сбега комля березы на склоне оврага

Мазуркин П.М. 1 Алгасова М.А. 1
1 Поволжский государственный технологический университет
Научно-техническое решение относится к дендрометрии при изучении относительного сбега комля в ходе роста и развития деревьев, преимущественно берез. Технический результат – расширение функциональных возможностей анализа по от-носительному сбегу комлевой части деревьев, произрастающих на склоне оврага или холма, а также повышение точности измерений березы ниже корневой шейки, начиная от стандартной высоты ствола в 1,3 м над корневой шейкой дерева до поверхности склона оврага. Береза обладает замечательным свойством стать древесным растением для дендро-экологического мониторинга из-за произрастания на нарушенных человеком земельных участках, подверженных ветровой и водной эрозии, и предотвращает развитие овражной сети. Отношения между периметрами сечений на разных уровнях по высоте комля показа-ли наибольшую тесноту факторной связи между собой и от диаметра на высоте 1,3 м.
береза
комель
относительный сбег
закономерности
1. Мазуркин П.М. Лесоаграрная Россия и мировая динамика лесопользования. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. – 334 с.
2. Мазуркин П.М. Лесная аренда и рациональное лесопользование. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. – 524 с.
3. Мазуркин П.М. Дендрометрия. Статистическое древоведение: учеб. пос. Часть 1. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. – 308 с.
4. Пат. 2254704 Российская Федерация, МПК7 A 01 G 23/00, 23/02, G 01 N/46. Споосб анализа комлевой части растущего дерева / Мазуркин П.М., Михайлова Т.Ф. (РФ); заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. – № 2004105917/12; заявл. 27.02.04; опубл. 27.06.05, Бюл. № 18.
5. Пат. 2416193 Российская Федерация, МПК А 01 G 23 / 00 (2006.01). Способ проведения измерений для определения профиля лесного оврага / Мазуркин П.М., Колесников И.П. (РФ); заяв. и патентообл. – МарГТУ. 2009133871/21; заявл. 09.09.2009; опубл. 20.04.2011.

Научно-техническое решение относится к дендрометрии при изучении относительного сбега комля в ходе роста и развития деревьев, преимущественно берез, и может быть использовано при фитоиндикации качества территорий и разработке мероприятий по защите земельных участков от эрозии, а также в дендроэкологическом мониторинге за развитием овражной сети с учетом изменений относительной формы комля растущих деревьев.

Известен способ анализа комля древесного ствола по патенту № 2254707 [4], включающий разметку ствола на секции кратной или некратной длины в зависимости от расположения неровностей ствола с измерением расстояний от корневой шейки, секции некратной длины размечают на неровностях комлевой части, по крайней мере, дважды в трех точках неровности, а измерения вдоль и поперек ствола по секциям выполняют гибкой мерной лентой, причем поперек ствола измеряют гибкой мерной лентой периметр сечения ствола.

Недостатком является то, что измерения выполняют у деревьев, растущих на ровной местности. При этом известный способ не позволяет учитывать влияние периметров комля ниже корневой шейки деревьев. Причем березы могут произрастать на склоне оврага, сильно изменяя высоту корневой шейки от точки склона по середине ствола.

Известен также способ анализа комля растущего дерева для определения поперечного профиля оврага по патенту № 2416193 РФ [5], характеризующийся тем, что поперек оврага выбирают пробную полосу леса с расположенными вдоль нее деревьями, измеряют расстояния и общий угол склона в поперечном сечении оврага между серединами диаметров корневой шейки смежных вдоль пробной полосы деревьев.

Недостатком также является отсутствие измерений периметра комлевой части дерева ниже корневой шейки, что не позволяет изучать влияние склона оврага или холма на комлевую часть, начиная на стволе от высоты 1,3 м над корневой шейкой до поверхности почвы на склоне оврага или холма.

Кроме того, в дендрометрии до сих пор не выделены те лимитирующие факторы комля, которые влияют на параметры места произрастания дерева.

Технический результат – расширение функциональных возможностей анализа по относительному сбегу комлевой части деревьев, произрастающих на склоне оврага или холма, а также повышение точности измерений березы ниже корневой шейки, начиная от стандартной высоты ствола в 1,3 м над корневой шейкой дерева до поверхности склона оврага.

Сущность технического решения заключается в том, что наиболее часто на склонах оврагов в лесостепной зоне России произрастают березы естественного происхождения. Они закрепляют овраги от водной эрозии, и происходит симбиоз между березняком и почвой на склоне оврага: березы своими корнями защищают почву от смыва, а почва наращивает свою плодородие, позволяя расти березам продуктивно без потери питательных веществ. Такой симбиоз приводит к относительному изменению поперечных сечений комля деревьев.

Сущность технического решения заключается также в том, что береза обладает замечательным свойством стать древесным растением для дендроэкологического мониторинга [1-3] из-за повсеместного произрастания на нарушенных человеком земельных участках, подверженных ветровой и водной эрозии, и предотвращает развитие овражной сети.

Сущность технического решения заключается также и в том, что в некоторых природно-антропогенных условиях частично восстанавливается и полноводность и регулярность водотока в течение года на дне оврага.

Сущность технического решения заключается также и в том, что отношения между периметрами сечений на разных уровнях по высоте комля показали наибольшую тесноту факторной связи между собой и от стандартного диаметра на высоте 1,3 м.

Положительный эффект достигается выявлением закономерностей по трем относительным показателям: P1.3 /D1.3 – коэффициент формы поперечного сечения ствола дерева на стандартной высоте 1,3 м; Pкш / P1.3 – относительный сбег поперечного сечения ствола дерева от корневой шейки до стандартной высоты 1,3 м, то есть коэффициент закомелистости ствола дерева; Ph / P1.3 – относительный сбег комля дерева от сечения на высоте комля до стандартной высоты над корневой шейкой дерева.

Эти показатели позволяют проводить экологический мониторинг за состоянием и развитием изучаемого березняка, что показано на фигурах 1-7.

На рис. 1 приняты следующие условные обозначения: j – угол местного склона в месте произрастания дерева березы, град; D1.3 , P1.3 – диаметр и периметр ствола на высоте 1,3 м от корневой шейки; Pкш – периметр сечения ствола на корневой шейке, см; 0,5 P3 – половина периметра комля над точкой пересечения поверхности почвы с вертикальной осевой линией комля, см; h – высота комля от корневой шейки до точки пересечения поверхности почвы с вертикальной осевой линией комля, см; hmax – максимальная высота комля от корневой шейки до нижней точки пересечения поверхности почвы с боковой линией комля, см.

Способ анализа относительного сбега комля выполняется следующими действиями.

Вначале выбирают пробную площадь и на ней не менее 30 учетных деревьев одной породы, например, березы.

При этом пробная площадь может быть заложена на любой неровной и холмистой местности, а также на склонах оврагов, террас или берегов.

mazr.tif

Рис. 1. Схема измерения параметров комля

maz2.wmf

Рис. 2. График влияния максимальной высоты комля mаZ001.wmf на относительный сбег комля mаZ002.wmf/mаZ003.wmf

maz3.wmf

Рис. 3. Влияние высоты кроны Hкр на относительный сбег Ph /P1.3

maz4.wmf

Рис. 4. Влияние диаметра ствола D1.3 на показатель Ph /P1.3

maz5.wmf

Рис. 5. Влияние максимальной высоты комля hmax на показатель P1.3/ D1.3

maz6.wmf

Рис. 6. Влияние периметра ствола P1.3 на показатель Ph / P1.3

У каждого учетного дерева на стандартной высоте 1,3 м измеряют диаметр и одновременно периметр поперечного сечения ствола.

Комель принимают в виде симметричной геометрической фигуры, расположенной вдоль вертикальной оси ствола учетного дерева. Высоту комля у каждого учетного дерева измеряют от поперечного сечения комля на корневой шейке до точки пересечения вертикальной оси с поверхностью почвы.

Затем от этой точки до периферии комля на нижней стороне по склону измеряют полупериметр нижнего поперечного сечения комля, После этого с учетом местного угла склона у каждого учетного дерева дополнительно измеряют максимальную высоту комля от корневой шейки ствола до поверхности почвы на нижней стороне по склону. А по множеству измеренных берез выполняют расчеты относительных показателей и проводят статистическое моделирование идентификацией многочленной однофакторной математической модели.

При необходимости у учетного дерева измеряют также периметр поперечного сечения начала комля на корневой шейке ствола учетного дерева.

От точки пересечения вертикальной оси с поверхностью почвы до периферии комля на нижней стороне по склону полупериметр поперечного сечения комля измеряют гибкой мерной лентой. Причем измерения проводят между двумя точками пересечения линии вдоль склона оврага, проходящей через точку пересечения вертикальной оси ствола учетного дерева с поверхностью почвы.

По множеству измеренных берез выполняют расчеты следующих относительных показателей по формулам:

P1.3/ D1.3 – коэффициент формы поперечного сечения ствола дерева на стандартной высоте 1,3 м;

Pкш / P1.3 – относительный сбег ствола дерева от корневой шейки до стандартной высоты 1,3 м, то есть коэффициент закомелистости ствола дерева;

Ph / P1.3 – относительный сбег комля дерева от сечения на высоте комля до стандартной высоты над корневой шейкой дерева.

По измеренным данным выполняют частный факторный анализ влияния измеренных параметров учетных деревьев на отношения меду периметрами поперечных сечений комля.

Пример. Для снижения линейной эрозии почвы оврагами применяют растения. Цель исследования – изучение формы комля деревьев, растущих в овраге, для выявления закономерностей взаимодействия между древесными растениями и склоном.

Объектами исследования были выбраны березы на склоне лесного оврага около деревни Ямолино Горномарийского района Республики Марий Эл. Эксперименты были проведены летом 2011 года (табл. 1) на 30 березах.

Измерения комля дерева выполняется следующим образом (рис. 1).

Сначала определили участок оврага по методике, изложенной в патенте № 2416193 РФ по прототипу, на склоне которого растут деревья. Выбрали учетные деревья для измерений в количестве 30 штук. Для измерений применяли гибкую мерную ленту и транспортир с отвесом. В ходе моделирования идентификацией устойчивых законов было выявлено, что дерево № 6 имеет резко выделяющееся значение угла местного склона. В дальнейшем это наблюдение исключили из статистической выборки.

Таблица 1

Параметры деревьев и периметры сечения комля с их отношениями

п/п

D1.3, см

h, см

hmax, см

Hкр,

м

H,

м

Периметр сечения, см

P1.3/ D1.3

Pкш / P1.3

Ph / P1.3

P1.3

Pкш

0,5 Ph

1

20

81

70

20

25

85

87

70

4.25

1.024

1.647

2

20

64

66

15

24

90

95

81

4.50

1.056

1.800

3

15

60

69

13

19

70

75

90

4.67

1.071

2.571

4

18

35

50

17

24

70

80

70

3.89

1.143

2.000

5

20

36

40

19

25

74

79

60

3.70

1.068

1.622

7

20

40

70

16

20

87

90

57

4.35

1.034

1.310

8

25

48

80

10

16

75

85

58

3.00

1.133

1.547

9

20

36

90

12

20

61

71

45

3.05

1.164

1.475

10

35

40

115

14

25

88

110

70

2.51

1.250

1.591

11

20

40

120

9

18

56

72

51

2.80

1.286

1.821

12

24

41

115

8

15

65

67

43

2.71

1.031

1.323

13

20

35

120

10

20

53

81

51

2.65

1.528

1.925

14

20

45

117

15

19

62

75

49

3.10

1.210

1.581

15

27

38

130

10

18

91

110

75

3.37

1.209

1.648

16

28

45

115

7

15

85

101

67

3.04

1.188

1.576

17

25

40

120

9

15

69

83

53

2.76

1.203

1.536

18

25

45

105

8

14

76

98

58

3.04

1.289

1.526

19

42

40

105

6

16

122

140

94

2.90

1.148

1.541

20

42

43

107

6

15

114

135

88

2.71

1.184

1.544

21

25

50

105

8

15

88

100

63

3.52

1.136

1.432

22

25

51

104

8

16

90

96

56

3.60

1.067

1.244

23

22

60

100

6

16

77

85

54

3.50

1.104

1.403

24

20

65

100

7

15

75

76

51

3.75

1.013

1.360

25

25

71

102

6

16

88

91

61

3.52

1.034

1.386

26

22

65

103

8

17

75

80

50

3.41

1.067

1.333

27

25

55

102

8

20

80

90

59

3.20

1.125

1.475

28

20

70

103

8

20

90

108

64

4.50

1.200

1.422

29

25

62

105

10

20

75

84

54

3.00

1.120

1.440

30

25

63

103

9

20

76

81

55

3.04

1.066

1.447

Примечание. Дерево № 6 исключено из-за резкого отклонения угла местного склона.

Полученные данные из табл. 1 обрабатывали в программной среде CurveExpert-1.3 по общей детерминированной модели

mаZ004.wmf, (1)

где y – показатель или зависимый фактор, в нашем примере параметры по табл. 1; x – объясняющая переменная или влияющий фактор, приведены также в табл. 1; a1… a8 – параметры модели (1), получаемые идентификацией в программной среде CurveExpert1.38 или 1.40.

Эта двухчленная формула в каждом случае выявления закономерности была получена идентификацией устойчивых законов по табл. 2. При этом первая составляющая, как правило, показывает естественный процесс или явление, а вторая и последующие члены формулы (1) характеризуют, как правило, антропогенное влияние. Во многих случаев антропогенное влияние имеет характер колебательного возмущения.

По принципу «от простого к сложному» можно предложить (табл. 2) «кирпичики» для построения, по ходу структурно-параметрической идентификации биотехнического закона, любой статистической модели.

Таблица 2

Математические конструкты для построения статистической модели

Фрагменты без предыстории

изучаемого явления или процесса

Фрагменты с предысторией

изучаемого явления или процесса

mаZ005.wmf – закон линейного роста или спада (при отрицательном знаке перед правой стороной приведенной формулы)

mаZ006.wmf – закон не влияния принятой переменной на показатель, который имеет предысторию значений

mаZ007.wmf – закон показательного роста (закон показательной гибели mаZ008.wmf не является устойчивым, из-за бесконечности при нулевом значении объясняющей переменной

mаZ009.wmf – закон Лапласа (Ципфа в биологии, Парето в экономике, Мандельброта в физике) экспоненциального роста или гибели, относительно которого создан метод операторных исчислений

mаZ010.wmf – биотехнический закон в упрощенной форме

mаZ011.wmf – закон экспоненциального роста или гибели, – по П.М. Мазурикну

mаZ012.wmf – биотехнический закон, предложенный проф. П.М. Мазуркиным

В табл. 2 показаны все «нормальные» фрагменты, у которых впереди могут быть расположены оперативные константы, в виде знаков «+» или «–». Все шесть устойчивых законов распределения являются частными случаями биотехнического закона, показанного внизу табл. 2.

Далее примем правила отбора тех или иных бинарных факторных связей типа (1) для последующего математического и графического анализа.

В табл. 3 приведены интервалы изменения коэффициента корреляции при различных характеристиках связи между учтенными факторами.

Таблица 3

Уровни факторных связей по коэффициенту корреляции

Интервал

коэффициента

корреляции

Характер тесноты связи между переменными факторами

Существующая

классификация

Для технических

экспериментов

Уточненная шкала

для комля дерева

1

сильная связь

однозначная

однозначная

0,99…1,00

сильнейшая

почти однозначная

0,95…0,99

сверхсильная

0,90…0,95

сильнейшая

0,7…0,9

сильная

сильная

0,5…0,7

слабая связь

средняя

средняя

0,3...0,5

слабоватая

слабоватая

0,1…0,3

нет связи

слабая

слабая

0,0…0,1

слабейшая

слабейшая

0

нет связи

нет связи

Как известно из классической математической статистики, грубая классификация уровней коэффициента корреляции следующая:

а) до 0,3 – нет связи между факторами (то есть можно не учитывать эти связи, хотя они в других условиях проявления могут оказаться даже сильными по факторной связи);

б) от 0,3 до 0,7 – есть связь между двумя факторами, но она считается достаточно слабой, чтобы её учитывать в практических рекомендациях;

в) выше 0,7 – имеется сильная связь между переменными факторами даже при не волновых биотехнических закономерностях.

Однако существующая шкала квантификации тесноты связи является очень грубой. Поэтому нами была предложена для технических экспериментов, в которых погрешность измерений не превышает 5 %, другая шкала (третий столбец табл. 3). Но для комля деревьев пришлось ввести еще два интервала, что нами было выполнено только при моделировании распределений рядов простых чисел. Это указывает на высокий уровень проявления закономерности (1) на параметрах комля березовых деревьев.

В табл. 4 приведены результаты факторного влияния (по исходным данным из таблицы 1) на значения относительных параметров комля.

На первом месте как влияющая переменная оказалась максимальная высота комля, что указывает на высокую значимость комлевой части для жизнедеятельности всего дерева. Только на втором месте оказался стандартный диаметр на высоте 1,3 м. Как зависимый показатель на первом месте находится коэффициент формы поперечного сечения ствола дерева на стандартной высоте 1,3 м.

Коэффициент коррелятивной вариации для всего множества влияния 7 влияющих переменных на три показателя равен 9,4074 / 21 = 0,4480.

Таблица 4

Факторный анализ влияния параметров берез на относительные показатели по детерминированным биотехническим закономерностям

Параметра дерева

(влияющий фактор x)

Относительные

параметры комля

Сумма коэфф. корр.

Место

Ix

P1.3/ D1.3

Pкш / P1.3

Ph / P1.3

Угол местного склона j, град

0,092

0,200

0,288

0,5800

7

Диаметр ствола D1.3, см

0,661

0,134

0,8474

1,6424

2

Периметр ствола P1.3, см

0,479

0,7380

0,288

1,5050

3

Высота комля h, м

0,576

0,517

0,335

1,4280

5

Максимальная высота комля hmax, м

0,673

0,597

0,617

1,8870

1

Высота дерева березы H, м

0,360

0,131

0,371

0,8620

6

Высота кроны березы Hкр, м

0,486

0,461

0,556

1,5030

4

Сумма коэффициента корреляции

3,3270

2,7780

3,3024

9,4074

Место Iy параметров модели

1

3

2

0,4480

Этот критерий (термин «коррелятивная вариация» по Ч. Дарвину) применяется при сравнении различных биологических объектов исследования, в данном случае группы из 29 берез, причем так можно сравнивать не только деревья и их группы в разных экологических условиях, но и растительные сообщества, находящие в разных регионах произрастания.

Поэтому факторный анализ, проведенный по показателям одного и того же объекта, имеет многогранное применение. Главное условие для факторного анализа, это добротность и достоверность исходных данных. Тогда можно ожидать хороших результатов по выявлению биотехнических закономерностей между отдельными количественными факторами.

maz7.wmf

Рис. 7. Влияние периметра ствола P1.3 на показатель Pкш / P1.3

Из данных табл. 4 видно, что наибольшую тесноту связи с коэффициентом корреляции 0,8474 имеет влияние диаметра D1.3 на изменение отношения периметров Ph / P1.3, то есть влияния на относительный сбег комля дерева до высоты 1,3 м над поверхностью почвы.

Таким образом, экологическая таксация деревьев коренным образом отличается от технической таксации стволов на древесину в виде кругляка.

Поэтому предлагаемый способ может быть применен в индикации не только лесных деревьев, но и фитоиндикации неровных мест произрастания древесных растений, в частности, на склонах оврагов, террас и берегов.


Библиографическая ссылка

Мазуркин П.М., Алгасова М.А. Cпособ анализа относительного сбега комля березы на склоне оврага // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 7-1. – С. 18-114;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=31921 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674