Nauka o produkcyjności lasu Wykład 5 Niestacjonarne Studia I Stopnia Treść wykładu: " Pojęcia związane z produkcyjnością drzewostanów i tablicami zasobności " Tablice zasobności: ich budowa, historia i zawartość " Wpływ siedliska na kształtowanie się cech drzewostanu " Kształtowanie się cech drzewostanów głównych gatunków drzew w Polsce " Modele wzrostu drzewostanu i ich zastosowanie Podstawowe pojęcia Podstawowe pojęcia " Cykl produkcyjny to okres od momentu posadzenia uprawy do wieku rębności, czyli okres, w którym możliwa jest realizacja założonych celów. W okresie tym powinna istnieć możliwość zaspokojenia potrzeb społeczeństwa w surowiec drzewny (różne sortymenty). Podstawowe pojęcia " Produkcyjność związana jest z sumaryczną produkcją. Jej miarą jest przyrost przeciętny sumarycznej produkcji (iloraz sumarycznej produkcji przeliczonej na 1 ha i długości cyklu produkcyjnego) " Produktywność związana jest z pozyskaniem: odłożony przyrost miąższości nie może być pozyskany w całości (np. młody drzewosta przyrasta bardzo szybko, ale nie można jeszcze go użytkować) Podstawowe pojęcia " Dla drzewostanów zagospodarowanych przerębowo cyklem produkcyjnym jest okres od cięcia do cięcia. Przy obliczaniu produkcyjności pod uwagę brany jest przyrost okresowy miąższości, który podzielony przez długość cyklu i przeliczony na 1 ha daje produkcyjność drzewostanu " W gospodarstwie zrębowym produkcyjność = produktywności tylko wtedy, gdy istnieje równomierny rozkład klas wieku Podstawowe pojęcia " Drzewostan główny stanowią drzewa te, które w ciągu najbliższego okresu pozostaną na pniu do następnego nawrotu trzebieży " Drzewostan podrzędny stanowią drzewa, które będą wycięte w ramach danej trzebieży. " Sumaryczna produkcja jest to suma miąższości drzewostanu głównego oraz miąższości pozyskanych do danego wieku użytków przedrębnych. Tablice zasobności Tablice zasobności " Przedstawiają się kształtowanie się cech drzewostanu z wiekiem " Uwzględniają prowadzone w drzewostanie trzebieże " Można z nich odczytać różne cechy drzewostanu dla określonego wieku " Jest to pewien model, według którego może być prowadzony drzewostan Tablice zasobności " Siatka bonitacyjna w tablicach zasobności przedstawia kształtowanie się z wiekiem wysokości drzewostanu (przeciętnej, np. u Schwappacha, lub górnej, np. u Kenka i Hradetzkiego) " Siatka bonitacyjna dzieli drzewostan na grupy różniące się produkcyjnością (sumaryczna produkcja bardzo silnie powiązana jest ze średnią wysokością drzewostanu) Tablice zasobności " cechy drzewostanu głównego: średnia wysokość, przeciętna pierśnica, liczba drzew, pole przekroju, miąższość, liczba kształtu... " cechy drzewostanu podrzędnego: średnia wysokość, przeciętna pierśnica, ilość drzew, miąższość (pole przekroju) " dane zbiorcze dla w/w części: suma użytków przedrębnych, sumaryczna produkcja, przyrost bieżący i przeciętny (i procent przyrostu miąższosci według Presslera) Historia tablic zasobności Tablice zasobności " Pierwsze tablice Chiny, XV wiek " Koniec XVIII wieku - Niemcy " Początek XIX wieku - Finlandia (opracowane dla siedliska) " 1850 r. - Hartig opracował metodycznie tablice, zaczęły powstawać na przełomie XIX i XX wieku. " Wimmenauer (tablice dla dębu) " Schwappach tablice powstałe jako wynik dużego programu badań trzebieżowych Tablice zasobności w Polsce " Pierwsze badania produkcyjności drzewostanów zostały prowadzone przez Jedlińskiego, Grochowskiego i Płońskiego " Ich badania doprowadziły do:
opracowania nowych metod pomiaru lasu (Grochowski 1933, Jedliński 1921, 1930)
opisania procesów formowania struktury drzewostanu pod wpływem wieku i siedliska (Jedliński 1929),
zaproponowały metodykę badań przyrostowych (Grochowski 1929, Grochowski and Jedliński 1932),
Powstania pierwszych polskich tablic zasobności (Jedliński 1932, Płoński 1937). Tablice zasobności w Polsce " Tablice Jedlińskiego (1932) zbudowane zostały w oparciu o oryginalną metodę: bonitacja określana była w nich na podstawie wieku i pierśnicy d- stanu " Dane do budowy tablic pochodziły ze 180 powierzchni badawczych, z których 96 było mierzonych 2-krotnie w odstępach 5-letnich " Powierzchnie próbne założone zostały w drzewostanach sosnowych różnych klas wieku, rosnących w różnych regionach kraju i na różnych siedliskach Tablice zasobności w Polsce " Tablice Płońskiego (1937) opracowane zostały na bazie danych ze stałych powierzchni badawczych założonych głównie w niepielęgnowanych drzewostanach sosnowych ówczesnej wschodniej Polski " Metodyka budowy zbliżona była do zaproponowanej przez Schwappacha (1908) " Tablice powstały tuż przed wybuchem II wojny światowej i nie były nigdy stosowane na większą skalę Tablice zasobności w Polsce " Specjalne miejsce w leśnictwie polskim zajmują badania i tablice Schwappacha (1908, 1912) " Jego działalność stanowiła ważny krok naprzód w badaniach przyrostowych " Tablice Schwappacha nie tylko wciąż znajdują zastosowanie w leśnictwie, ale również stały się podstawą kilku prostych modeli (Socha 1997, Jarosz i Kłapeć 2002, Cieszewski i Zasada 2003, IUL 2003) Tablice zasobności w Polsce " Tablice Schwappacha powstały na podstawie danych ze stałych powierzchni badawczych " Sieć takich powierzchni została założona w II połowie XIX wieku przez pracowników instytutu badawczego z Eberswalde. " Część powierzchni została początkowo założonych w celu badań więzbowych, a potem w wielu wypadkach zamienionych na powierzchnie trzebieżowe " Inne zakładano od razu jako trzebieżowe (Schwappach 1908, Erteld 1958, Pirogowicz 1978). Tablice zasobności w Polsce " Były to prawdopodobnie pierwsze w historii powierzchnie badawcze z trwale ponumerowanymi drzewami " Krzywe wzrostu wysokości były wykreślane ręcznie dla każdej z wyróżnionych klas produkcyjności na podstawie wieku i wysokości Loreya w danym wieku " Szczegółowa metodyka badań oraz charakterystyka materiału pomiarowego dla sosny została opisana i opublikowana na początku XX wieku przez Schwappacha (1908) Tablice zasobności w Polsce wykorzystano za zgodą Instytutu Badawczego Leśnictwa w Warszawie Tablice zasobności w Polsce " Po II wojnie światowej: kontynuacja badań przyrostowych " Szymkiewicz (1949): zestawienie tablic zasobności używanych do dziś w praktyce leśnej; ekstrapolacja tablic dla sosny (klasa bonitacji Ia) " Kontynuacja badań na stałych badawczych powierzchniach Schwappacha (lata 1950-te) Tablice Schwappacha " dotyczą TDU (w Polsce stosuje się trzebież kombinowaną); " zbudowane 100 lat temu: do budowy uzyte drzewostany jeszcze XVIII wieczne, odnawiane głównie naturalnie " od 1923 r nie są stosowane w Niemczech " w Polsce mimo krytycznych uwag - jeszcze się je stosuje. Wpływ siedliska na cechy drzewostanu Zmiana z wiekiem liczby pni Sosna I i III klasa bonitacji 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 I bonitacja III bonitacja Wiek Liczba pni Zmiana z wiekiem pola przekroju Sosna I i III klasa bonitacji 36 34 32 30 28 26 24 22 20 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 I bonitacja III bonitacja Wiek Pole przekroju (m2) Zmiana z wiekiem miąższości drzewostanu głównego 520 Sosna I i III klasa bonitacji 470 420 370 320 270 220 170 120 70 20 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 I bonitacja III bonitacja Wiek Miąższość (m3) Zmiana z wiekiem miąższości d-stanu podrzędnego Sosna I i III klasa bonitacji 25 20 15 10 5 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 I bonitacja III bonitacja Wiek Miąższość (m3) Zmiana z wiekiem sumy użytków przedrębnych Sosna I i III klasa bonitacji 500 400 300 200 100 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 I bonitacja III bonitacja Wiek Miąższość (m3) Zmiana z wiekiem sumarycznej produkcji Sosna I i III klasa bonitacji 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 I bonitacja III bonitacja Wiek Miąższość (m3) Udział użytków przedrębnych w sumarycznej produkcji Sosna I i III klasa bonitacji 60 50 40 30 20 10 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 I bonitacja III bonitacja Wiek (%) Zmiana z wiekiem Vg, Vp, SUP i SP Sosna I klasa bonitacji 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 V d-nu g V d-nu p SUP SP Wiek Miąższość (m3) Zmiana z wiekiem bierzącego rocznego i przeciętnego przyrostu miąższości - sosna I klasa bonitacji 12 10 8 6 4 2 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Zv br Zv p Wiek Przyrost miąższości (m3) Zmiana z wiekiem bierzącego rocznego i przeciętnego przyrostu miąższości - sosna I i III klasa bonitacji 12 10 8 6 4 2 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Zv br I bon. Zv p I bon. Zv br III bon. Zv p III bon. Wiek Przyrost miąższości (m3) Kształtowanie się cech drzewostanów głównych gatunków drzew w Polsce Zmiana z wiekiem liczby drzew na jednostce powierzchni dla różnych gatunków 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Wiek So Db Bk Jd Św Md Liczebność Zmiana z wiekiem liczby drzew na jednostce powierzchni dla różnych gatunków 10000 1000 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 WiekMd So Db Bk Jd Św Liczebność Zmiana z wiekiem pola przekroju drzewostanu dla różnych gatunków 70 60 50 40 30 20 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Wiek So Db Bk Jd Św Md Powierzchnia przekroju (m2) Zmiana z wiekiem miąższości grubizny drzewostanu głównego dla różnych gatunków 1200 1000 800 600 400 200 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Wiek So Db Bk Jd Św Md Miąższość (m3) Zmiana z wiekiem miąższości grubizny drzewostanu podrzędnego dla różnych gatunków 60 50 40 30 20 10 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Wiek So Db Bk Jd Św Md Miąższość (m3) Zmiana z wiekiem sumy użytków przedrębnych dla drzewostanów różnych gatunków 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Wiek So Db Bk Jd Św Md Miąższość (m3) Zmiana z wiekiem sumarycznej produkcji dla drzewostanów różnych gatunków 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Wiek So Db Bk Jd Św Md Miąższość (m3) Udział użytków przedrębnych " Iloraz sumy użytków przedrębnych i sumarycznej produkcji dla danego wieku. " Dla wieku ponad 100 lat:
Największy uup u buka (nawet 60%) i dębu (ponad 50%)
Najmniejszy u jodły (około 30%)
Średnio dla innych gatunków do 50% Zmiana z wiekiem bieżącego rocznego przyrostu miąższości dla drzewostanów różnych gatunków 30 25 20 15 10 5 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Wiek So Db Bk Jd Św Md Przyrost miąższości (m3) Zmiana z wiekiem przeciętnego rocznego przyrostu miąższości dla drzewostanów różnych gatunków 20 15 10 5 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Wiek So Db Bk Jd Św Md Przyrost miąższości (m3) Modele wzrostu Modele wzrostu " Modele a tablice zasobności:
Różny stan wyjściowy drzewostanu
Różne nasilenia trzebieży
Różne zagęszczenia
Różne bonitacje
Czynniki zewnętrzne wpływające na drzewostan
Zastosowanie techniki komputerowej Czynniki Czynniki Czynniki abiotyczne biotyczne antropogeniczne wzrost konkurencja kształtowanie odnowienie się struktury naturalne drzewostanu SIEDLISKO - BIOTOP Modele wzrostu " Modelem jest każde przedstawienie obiektu w postaci innej niż występuje on w rzeczywistości (Gutenbaum 1987) " Matematyczny model wzrostu drzewostanu to system równań i algorytmów przetwarzających informacje o stanie początkowym drzewostanu w celu otrzymania nowych informacji o stanie początkowym oraz informacji o przyszłych stanach drzewostanu w dowolnym roku okresu prognozy (Siekierski 1995) Modele wzrostu " Leśne modele wzrostu wykorzystują stosunkowo proste koncepcje obecne od lat w innych dziedzinach nauki: " Zmiany w czasie mogą być modelowane przez
odpowiednie określenie stanu systemu w danym czasie
określenie tempa zmian stanu systemu jako funkcji obecnego stanu oraz wartości jakiejś zewnętrznej zmiennej kontrolnej, np. czasu (Garcia 1986) Modele wzrostu " Specyfika modelowania w leśnictwie:
Duże rozmiary drzew
Duża zmienność obiektów badawczych
Obserwacja doświadczenia dotyczącego np. określonego sposobu prowadzenia drzewostanu może trwać kilkadziesiąt i więcej lat Modele wzrostu " Pierwsze modele tablice pojawiły się w Chinach kilkaset lat temu (XV wiek) " Rozwój badań dendrometrycznych na przełomie XIX i XX wieku (głównie Niemcy) tablice zasobności dla głównych gatunków lasotwórczych w naszej części Europy Modele wzrostu " Rozwój elektronicznej techniki obliczeniowej + rozwój metod statystycznych = rozwój wzorów empirycznych i modeli wzrostu " Pierwszy model oparty na drzewie indywidualnym (Newnham 1964, daglezja, UBC) " Pierwsze prace nad modelami w Katedrze Dendrometrii SGGW w końcu lat 1970-tych Modele wzrostu " Klasyfikacja drzewostanowych modeli wzrostu (Munro, 1974; Daniels and Burkhart, 1988)
modele drzewa indywidualnego " zależne od dystansu (przestrzenne, distance-dependent) " niezależne od dystansu (nieprzestrzenne, distance independent)
modele całego drzewostanu
modele pośrednie (klas grubości) Modele wzrostu " W obrębie każdej z grup można wyróżnić modele deterministyczne i stochastyczne " Możliwy również podział na modele
Statyczne (prognozujące bezpośrednio zmiany w czasie danej cechy, np. wysokości czy miąższości)
Dynamiczne (prognozujÄ…ce raczej tempo zmian w zależnoÅ›ci od warunków poczÄ…tkowych) Modele wzrostu 2 w ëÅ‚ öÅ‚ H = B Å" ìÅ‚ ÷Å‚ 22.222222 + 0.777778Å" w íÅ‚ Å‚Å‚ 2 ëÅ‚ öÅ‚ w Å" (28.57142 + w0 ) 40 ìÅ‚ ÷Å‚ H = H0 Å" ìÅ‚ ÷Å‚ 35 w0 Å" (28.57142 + w) íÅ‚ Å‚Å‚ 30 25 Statyczny (góra) i 20 dynamiczny (dół) 15 anamorficzny model 10 wzrostu wysokoÅ›ci 5 dla sosny Age 0 0 20 40 60 80 100 120 Top height [m] Polskie modele wzrostu " Badania nad współczesnymi, empirycznymi modelami wzrostu rozpoczÄ™te w koÅ„cu lat 1970-tych " Kontakty z UMN, bibliografia modeli wzrostu (Dudek i Ek, 1980a, b) " Pierwszy polski model wzrostu dla sosny pospolitej (Bruchwald 1977, 1985, 1986) Polskie modele wzrostu " Do tej pory powstaÅ‚y oryginalne modele dla:
sosny (1985)
sosny wpływem emisji przemysłowych (1990)
dębu (1995)
buka (1998)
świerka (1999)
jodły (1999)
brzozy (2001)
modrzewia (2002)
olszy (2003) Polskie modele wzrostu " Zgodnie z klasyfikacjÄ… Munro, polskie modele wzrostu to:
Modele drzewa indywidualnego
Modele nieprzestrzenne
Modele stochastyczne Schemat modelu wzrostu Model graniczny " Symulujący wzrost drzewostanu, w którym nie wykonuje się trzebieży " Odpowiada tablicom zasobności (pełne zadrzewienie maksymalne zagęszczenie) " Podstawa do określania:
maksymalnej liczby drzew (stopień zagęszczenia)
maksymalnej miąższości (stopień zadrzewienia)
cech drzewostanu, gdy nie ma danych pomiarowych Pełny model wzrostu " Model, w którym symulowane jest wykonywanie trzebieży " Oddzielne wersje dla trzebieży górnej i dolnych " Możliwość wykonania trzebieży w założonym wieku lub określenia momentu, w którym powinna być wykonana trzebież Algorytm wstępny generuje drzewa w drzewostanie nadając im odpowiednie wymiary grubości i wysokości, po czym oblicza wartości cech drzewostanu, w tym jego miąższość. Algorytm trzebieżowy określa liczbę drzew do wycięcia w ramach trzebieży, po czym oblicza cechy drzew wycinanych i pozostających na pniu Algorytm przyrostowy ustala liczbę drzew które wypadną w przyjętym okresie prognozy, powiększa wymiary grubości i wysokości drzew o wartość okresowego przyrostu, po czym ustala cechy drzewostanu dla końca okresu Algorytm śmiertelności ustala prawdopodobieństwo śmierci drzewa, po czym stochastycznie dzieli drzewa na dwie grupy, te które wypadną z drzewostanu i te które w nim pozostaną Zastosowanie modeli wzrostu Zastosowanie modeli wzrostu " Badawcze i praktyczne " Badawcze
Poznanie procesów wzrostu drzew
Poznanie procesu konkurencji wewnątrz- i międzygatunkowej w drzewostanie
Wykrywanie zakłóceń w dynamice wzrostu drzewostanu " Testy modelu na niezależnych danych Zastosowanie modeli wzrostu " Przykłady zastosowań badawczych:
Model wzrostu dla drzewostanów rosnących pod wpływem emisji przemysłowych (Bruchwald 1991)
Wykrywanie zmian w warunkach wzrostowych pod wpływem różnych czynników biotycznych i abiotycznych (Bruchwald i Bosiak, 1992; Bruchwald i in., 2003; Tomaszewski, 1978)
Europejski model RotStand do okreÅ›lania ryzyka porażenia przez hubÄ™ korzeniowÄ… oraz wpÅ‚ywu porażenia hubÄ… na wzrost (Pukkala i Möykkynen 2002) Zastosowanie modeli wzrostu " Praktyczne:
Określenie cech dendrometrycznych drzewostanu w momencie pomiaru i na końcu okresu prognozy