The Monitoring of Forest Plantations on the Territory of Forest Parks in Yekaterinburg

В городских лесах в условиях высоких антропогенных нагрузок чрезвычайно важной задачей является организация постоянного мониторинга их состояния. Только на основе постоянных наблюдений можно объективно, на количественном уровне оценить происходящие изменения структуры и состояния экосистем. Наиболее эффективным подходом при выполнении этой задачи представляется применение выборочных способов оценки на основе четкого соблюдения математическо-статистических законов. При организации выборочных наблюдений в лесу достаточно обоснованной и апробированной является методика ГИЛ. Предусмотренные в ней процедуры выделения относительно однородных страт и проведения исследований на пробных площадях могут быть взяты за основу при организации мониторинга лесопарковых насаждений.

Основным источником информации о лесах в нашей стране являются материалы лесоустройства. В рекреационных лесах определяются дополнительные показатели лесных насаждений: рекреационная оценка, стадия рекреационной дигрессии, классы устойчивости и эстетической оценки. На основе их оцениваются состояние и рекреационная ценность лесных участков. Следует отметить, что в основном таксация проводится глазомерным способом с относительно низкой точностью определения таксационных показателей. Поэтому материалы лесоустройства не всегда дают достоверную информацию о лесах и их состоянии.

С принятием Лесного кодекса (ст. 90) помимо лесоустройства в лесах нашей страны проводится новый вид лесоучетных работ – государственная инвентаризация лесов. Этот вид работ основывается на применении математико-статистических методов. Измерения производят на круговых пробных площадях (ПП), где определяют 117 показателей, характеризующих, в том числе, и состояние насаждений [5]. Достоверные сведения, получаемые систематическим слежением, позволяют своевременно выявить и прогнозировать развитие процессов, оказывающих негативное воздействие на леса. Таким образом, методика ГИЛ может быть использована в качестве основы для организации системы мониторинга лесопарковых насаждений.

В современных условиях высоких антропогенных воздействий и одновременно большой потребностью населения в природных территориях вопросы мониторинга состояния городских лесов в России разработаны не в достаточной степени. В то же время необходимость его организации обусловлена ухудшающейся экологической ситуацией в мегаполисах и необходимостью восстановления и повышения устойчивости городских насаждений. Научно обоснованный мониторинг состояния городских лесов может быть включен в общую систему мониторинга и контроля состояния окружающей среды [1].

Целью работы является организация системы мониторинга лесных насаждений на территории лесопарков г. Екатеринбурга с учетом методических рекомендаций ГИЛ и оценка состояния фитоценозов на примере одной страты – светлохвойные спелые и перестойные высокопроизводительные насаждения.

В настоящее время на территории муниципального образования «г. Екатеринбург» общая площадь лесных насаждений составляет 45018,3 га. Они представляют собой так называемое «зеленое кольцо» города. В его состав входят 15 лесопарков, территория которых составляет 12094,8 га. Для организации мониторинга в соответствии с методикой ГИЛ эти лесопарки приняты за генеральную совокупность. Выборочную совокупность представляли ПП, на которых проводили исследования.

При осуществлении мониторинга выборочным методом наилучшие результаты обеспечиваются при разделении генеральной совокупности на относительно однородные группы – страты. Каждая страта состоит из определенного количества лесотаксационных выделов с близкими таксационными характеристиками. При осуществлении ГИЛ в нашей стране выделяются 49 лесных страт [5]. Стратификация насаждений проводилась на основе повыдельных баз данных лесоустройства. Страты выделялись по преобладающей породе, классу возраста и классу бонитета. В отдельную страту объединялись земли, не занятые лесными насаждениями.

Количество пробных площадей для каждой страты определялось по предлагаемой в методических рекомендациях ГИЛ по формуле:

(1)

где:

у - количество ППП для отдельной страты;

q - относительная погрешность оценки (0...1);

σ - среднеквадратическое отклонение запаса, м3/га;

t- квантиль стандартного нормального закона (t=1,96 для 95%);

x̅- среднее значение запаса древесины, м3/га.

При создании цифровой основы лесопарковых насаждений использовалось программное обеспечение QGIS. Размещение ПП проводилось в системе координат WGS-84. Для этого сеть ПП загружали в мобильное приложение NextGIS. Центр пробной площади размещался в пункте с заранее определенными координатами и закреплялся армированным колышком. Таким образом, была создана биоиндикационная сеть экологического мониторинга на территории 6 лесопарков города Екатеринбурга.

Закладка ПП и проведение на них исследований и измерений осуществлялись в соответствии с методикой ГИЛ [1]. Сбор данных на ППП осуществлялся программно-измерительным комплексом Field-Map, который позволяет производить измерение и картографирование деревьев. Он включал полевой планшетный компьютер с установленным программным обеспечением, лазерный дальномер с Bluetooth, круговой отражатель и электронную мерную вилку. В процессе работы с помощью Field-Map производилась нумерация деревьев и их привязка по сторонам света. В атрибутивные данные кроме таксационных показателей деревьев заносились сведения об их состоянии.

Оценка состояния деревьев проводилась по методике европейского мониторинга лесов и методических рекомендаций по проведению ГИЛ. [5], [10], [12]. Согласно им наиболее информативными биоиндикационными признаками являются дефолиация (потеря хвои и листвы) и дехромация (изменение окраски) крон деревьев. Дефолиация и дехромация являются основными методами оценки негативного воздействия загрязнения окружающей среды и других факторов. Данные показатели оцениваются в процентах. [9].  На основе них формируют интегральные классы повреждения деревьев, приведенные в таблице 1.

Для оценки жизненного состояния древостоев применяется индекс состояния (I, баллы), представляющий собой средневзвешенный класс повреждения составляющих древостой деревьев:

(2)

где: i – номера классов повреждения деревьев, баллы;

wi– количество деревьев i-го класса повреждения в данном насаждении;

W – общая численность деревьев.

По величине индекса состояния древостои классифицировались следующим образом: здоровые (I= 0-0,5); ослабленные (I=0,6-1,5); сильно ослабленные (I=1,6-2,5); отмирающие (I=2,6-3,5); сухостой(I>3,6). Кроме того, определялась категория состояния каждого дерева.

По величине индекса состояния древостои классифицировались следующим образом: здоровые (I= 0-0,5); ослабленные (I=0,6-1,5); сильно ослабленные (I=1,6-2,5); отмирающие (I=2,6-3,5); сухостой (I>3,6). Кроме того, определялась категория состояния каждого дерева.

Одновременно с методикой европейского мониторинга лесов нами на каждой пробной площади определялись категории санитарного состояния деревьев в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 9 декабря 2020 года № 2047 «Об утверждении Правил санитарной безопасности в лесах» [8]. На основании полученных данных определяли санитарное состояние насаждений и разрабатывали рекомендации по проведению санитарно-оздоровительных мероприятий. Результаты этих исследований в данной работе не приводятся и подлежат отдельному обсуждению.

В результате стратификации насаждений всех лесопарков г. Екатеринбурга было выделено 29 страт. Характеристики 10 наиболее крупных и экологически значимых страт представлены в табл. 2.

Площадь каждой страты определялась как сумма площадей лесотаксационных выделов, отнесенных к данной страте. Наиболее представленной в лесопарках города является 10 страта (светлохвойные спелые и перестойные высокопроизводительные лесные насаждения). В общей площади лесопарков ее доля составляет 33,0%. Далее по площади идет 1 страта – не занятые лесными насаждениями земли (19,9%). Достаточно большим удельным весом по площади характеризуются 11 страта (12,0%), 4 (8,6%) и 37 (8,9%). Несмотря на разнообразие древесных видов, основными породами являются сосна и березы. В целом приведенные материалы показывают, что лесопарки г. Екатеринбурга в основном представлены спелыми и перестойными насаждениями. Аналогичная ситуация о структуре насаждений   отмечается и в работах других исследователей [6].

Количество ПП для каждой страты определялось с учетом требований к репрезентативности выборочной совокупности по уравнению (1). Согласно этому уравнению, расчетное количество ПП зависит не от площади страты, а ее однородности по запасам древостоев. Следует отметить, что закономерности распределения запасов и их изменчивость используются многими исследователями при инвентаризации лесных массивов математико-статистическим методом [2], [3], [4], [11]. Наши расчеты показали, что варьирование запасов по отдельным стратам колеблется от 13,4 (7 страта) до 25,6% (8 страта). Эти данные свидетельствуют, что массивы древостоев, объединенные в страты, по величине коэффициентов вариации запасов относятся к очень однородным [12].

Расчеты количества ПП выполнялись на основе повыдельной базы данных лесоустройства с учетом заданной погрешности определения запаса (10%) и его варьирования в пределах соответствующей страты. Их результаты представлены в табл. 1. Данные показывают, что количество ПП в значительной степени зависит от изменчивости запасов внутри страты. Так, для 8 страты (светлохвойные приспевающие среднепроизводительные насаждения) при изменчивости запаса 25,6% расчетное количество пробных площадей составляет 25, а для 7 страты (светлохвойные приспевающие высокопроизводительные) при изменчивости запаса 13,4% – всего 7. Причем площадь 7 страты почти в три раза больше, чем 8. Лесные страты существенно различаются по средней площади выделов (по стратам она колеблется от 1,37 до 3,77 га), а также по плотности размещения пробных площадей. В частности, в 4 страте одна пробная площадь приходится на 4,97 га, а в 10 – на 399,57 га. Такие результаты вполне предсказуемы, когда в алгоритме расчета пробных площадей не учитывается площадь страты.

Важным звеном в выполнении поставленной цели является статистическое размещение ППП на цифровой основе и установление координат ППП. Как отмечалось выше, эта работа проводилась отдельно по выделенным стратам с применением специального программного обеспечения, позволяющего случайным образом разместить ППП по территории соответствующей страты. Координаты центров ППП фиксировались с использованием государственной системы координат. На рис. 1 в качестве примера показано размещение ППП в наиболее крупной по площади 10 страте.

Следует отметить, что созданная биондикационная сеть экологического мониторинга вследствие случайного размещения ППП не учитывает интенсивность техногенных нагрузок в отдельных частях города. Насаждения лесопарков в зависимости от их местоположения в разной степени подвержены негативным воздействиям автомобильного транспорта, промышленных выбросов и рекреации. Для повышения эффективности мониторинговых исследований стратификация лесных участков в лесопарках и определение количества ППП должны проводиться с учетом данного обстоятельства.

Рисунок 1 - Размещение ППП в 10 страте лесопарков г. Екатеринбурга

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.51.3

На данном этапе работ количественные и качественные характеристики насаждений оценены на 25 ППП, заложенных в 10 страте. На каждой из них в соответствии с методикой ГИЛ определялись порода, возраст, высота деревьев, характеристики напочвенного покрова, подлеска и подроста. Все эти данные занесены в паспорт ППП. Дополнительно на ППП определялись дефолиация и дехромация крон деревьев сосны. Результаты оценки состояния сосновых древостоев в разрезе ППП представлены на рис.2.

Рисунок 2 - Индекс состояния древостоев на ППП

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.51.4

Данные рис. 2 свидетельствуют, что в 10 страте древостои существенно различаются по жизненному состоянию: на 6 ППП они относятся к категории ослабленных, на 15 – сильно ослабленных и на 4 – отмирающих. Здоровые древостои в данной страте отсутствуют. Значительная дифференциация древостоев ППП по состоянию объясняется особенностями распределения техногенных нагрузок на территории лесопарков.

Созданная сеть ППП может быть использована в качестве основы организации мониторинга за состоянием городских лесов. Она может быть применена для оперативного слежения за нарушением устойчивости лесов, а также в целях контроля за динамикой негативных процессов, обеспечивающая раннее выявление неблагополучного состояния насаждений [7].

Применение математико-статистических методов и стратификации лесов в соответствии с методикой ГИЛ позволяют проводить мониторинговые работы за состоянием городских лесов. По результатам наших исследований было выявлено преобладание страт со спелыми и перестойными насаждениями. В условиях высоких антропогенных нагрузках и строгого режима городских лесов данные участки требуют особого постоянного наблюдения. Полевые исследования показали преобладание сильно ослабленных насаждений в 10 страте. Предлагаемая система мониторинга позволит своевременно следить за состоянием насаждений и принимать своевременные меры по недопущению снижения жизненного и санитарного состояния.

Однако полученные нами результаты о количестве ПП, плотности их размещения по отдельным лесопаркам и значительная дифференциация древостоев ПП по состоянию свидетельствуют о необходимости внесения изменений в методику ГИЛ, уточняющие и детализирующие мониторинговые исследования в городских лесах, при сохранении ее основополагающих подходов. В частности для лесопарков актуальна более дифференцированная стратификация насаждений, учитывающая виды и степень антропогенной нагрузки, определяющая жизненное состояние и экологические функции насаждений.