Приведены результаты изучения динамики таежно-тундровых лесных экосистем Архангельской области на основе материалов дистанционного зондирования Земли и применения классификации изображений с использованием алгоритма случайного леса (Random Forest). Изменение доли лесных, нелесных и не покрытых лесом площадей в районе исследования отмечено в лесном реестре. По итогам работы показано значительное увеличение территории лесов с 2016 по 2023 гг. - на 10,28 % за счет сокращения не покрытых лесом площадей и нелесных земель. Эта динамика обусловлена процессами успешного естественного восстановления лесов, а также их продвижением на север с захватом площадей в связи с изменением климата. Оценка точности автоматизированной классификации спутниковых изображений с использованием алгоритма случайного леса путем сравнения с эталонными данными с применением таких критериев, как общая точность и коэффициент Каппа (степень соответствия оценок модели фактическим данным), подтвердила надежность полученных результатов. В качестве эталонных показателей брали материалы таксационных повыдельных баз данных, данных пробных площадей - стационарных и государственной инвентаризации лесов. Перед началом полевых работ были изучены картографические базы данных и подобраны пробные площади. С опорой на экспериментальные данные по исследуемому району создано большое количество полигонов, отражающих разнообразие лесных насаждений и нелесных территорий, для обучения алгоритма классификации спутниковых изображений. Обработка снимков, включая поправки, мозаику, геопроекцию и возврат, выполнялась с использованием SNAP (Sentinel Application Platform) - программы с открытым исходным кодом. Проанализированы 100 точек в различных лесорастительных условиях в районе исследования. Изучение динамики лесных экосистем на основе материалов дистанционного зондирования Земли и применение классификации изображений с использованием алгоритма случайного леса позволят повысить точность оценки ресурсного и экологического потенциалов насаждений северо-таежных и притундровых лесов Архангельской области.
Ламинированные напольные покрытия входят в число базовых строительных материалов не только из-за своей эстетичности, но и благодаря возможности с их помощью обеспечить энергосбережение, звукоизоляцию, предотвратить царапины на поверхности и минимизировать уход, такой как периодическая лакировка в случае с напольными покрытиями из массива дерева и др. Несмотря на то, что ламинированные напольные покрытия устойчивы к царапинам и просты в укладке, они должны соответствовать стандартным требованиям. Поэтому оптимизация параметров производства ламинированных напольных покрытий представляет интерес для научных исследований и разработок, нацеленных на получение экономически эффективной продукции, которая не только конкурентноспособна на рынке, но и репрезентует результаты деятельности научных сообществ. В этом смысле на первый план выходят следующие параметры: свойства бумаги, тип и характеристики материала сердцевины, использование смолы, условия прессования (давление, продолжительность, температура) и т. д. Определено влияние массы декоративной (105, 115 и 125 г/м2) и покровной (90 и 95 г/м2) бумаг на истираемость поверхности, устойчивость к истиранию, ударопрочность и износостойкость ламинатных напольных покрытий, произведенных промышленным способом. Результаты исследования продемонстрировали, что показатели варьировали в пределах 3600-4800 об., 4,5-5,0, 110-130 Н и класса 5 соответственно. Продукция отвечает требованиям стандартов BS-EN 13329 и BS-EN 14323. Однако было обнаружено, что влияние массы бумаги на свойства нестабильно: наблюдались колебания показателей или отсутствие изменений. В литературе почти нет сведений об указанных параметрах, поэтому результаты этой работы могут представлять ценные данные для сравнения.
Описано состояние и эколого-ценотическая (парцеллярная) структура рощи, сформированной сосной погребальной, или могильной (Pinus × funebris Kom.), в Приморском крае (Уссурийский район). Такие рощи - остаточные фрагменты реликтовой сосновой формации уникальной не только для края, но и для России. Они приурочены к сухим склонам южных экспозиций, подверженных более частым лесным пожарам, чем другие экотопы. Это создает реальную угрозу полного исчезновения реликтовых сосняков. Проблема сохранения формации согласуется с необходимостью изучения пространственной (парцеллярной) структуры и мониторинга состояния сосновых ценозов. На склоне в роще заложена пробная площадь, на которой детально описаны и закартированы в масштабе 1:100 все ярусы растительного покрова, с последующим попарным сравнением картосхем и выделением парцелл (в трактовке Н. В. Дылиса). Детальные наблюдения за рощей ведутся с 1992 г. Экстремальные условия произрастания обусловили низкий уровень видового богатства всех сообществ на изученном и соседних склонах. Состав видов нижних ярусов в сосновой роще и дубняке, сменившем сосняк, одинаков и представлен ксерофитной флорой. В подлеске обоих типов леса присутствуют 2 вида, в травяном ярусе - 19. В 2003 г. в роще было выделено 5 парцелл: 3 с доминированием сосны (сосновая осоковая, сосновая редкопокровная, сосновая с дубом разнотравно-осоковая) и 2 с доминированием дуба (дубовая с сосной (ксерофитная) и дубовая марьянниково-осоковая). Основа рощи - сосновая осоковая парцелла с материнским древостоем. В ней начался распад древостоя, хотя он еще не достиг перестойного возраста. К 2019 г. осталось 4 парцеллы: из-за перехода подроста сосны в категорию древостоя площадь сосновой редкопокровной парцеллы распределилась между смежными парцеллами. Наличие в «дубовых» парцеллах деревьев или подроста сосны хорошего жизненного состояния позволяет предположить смену в этих парцеллах дуба сосной в обозримом будущем, при условии отсутствия пожаров.
Эффективным подходом к изучению факторов распространения лесообразующих видов Кавказа в условиях орографической труднодоступности горных территорий является сочетание использования геоинформационных систем и теории экологической ниши в моделях распределения SDM. Дискуссионными остаются многие аспекты данного подхода, в т. ч. выбор экологических предикторов, коллинеарность переменных, эффект масштаба исследуемой территории, формализация в моделях биотических факторов и расселительной способности видов. Цель статьи - выявить закономерности пространственного распределения сосновых лесов Кавказа (Pinus sylvestris L.) в зависимости от площади анализируемой территории. Для формализации биотического фактора распространения сосняков предложен метод включения карт распределения вероятностей обнаружения видов-конкурентов (березовые леса из Betula pendula Roth и B. litwinowii Doluch.) в SDM-модель P. sylvestris в качестве биотических слоев. Фактор расселительной способности сосны (доступности территорий) формализован через расстояние от оптимальных местообитаний вида (участков с порогом пригодности 0,8), на которых вероятность его обнаружения сохраняется выше 0,5. Сравнительный анализ разных наборов абиотических предикторов с учетом мультиколлинеарных переменных и без него выявил преимущества модели, полученной на основе набора данных ENVIREM (Environmental Rasters for Ecological Modeling), ограниченного VIF-тестом (Variance Inflation Factor). На локальном уровне (Центральный Кавказ) основным предиктором расположения сосновых лесов выступает доступность территорий - 0-3 км от оптимальных местообитаний (вклад в модель - около 72 %). На региональном уровне (Кавказ в целом) большое значение имеет межвидовая конкуренция (вклад в модель - около 37 %). Наименее значимы в распространении сосновых лесов основные абиотические факторы (орография местности и температурно-водный режим самого сухого квартала), долевое участие которых в итоговых моделях не превышает 16 %. Для вида установлено потенциально широкое распространение на Кавказе в районах с разнообразными климатическими и орографическими условиями (около 21 тыс. км2). Центр кавказского ареала сосны прогнозируется на Центральном Кавказе (96 % площади оптимальных местообитаний).
Исследованы основные подходы к организации мониторинга пожароопасных ситуаций на региональном уровне и проблемы, возникающие при техническом обеспечении такого мониторинга. Целью работы является изучение динамики изменения пожарной опасности в лесах на территории Удмуртской Республики. Варьирование комплексного показателя пожарной опасности, наблюдаемого независимо от структуры таксационных выделов, рассматривается наряду с данными о фактических пожарах 2011-2023 гг. В связи со значительной протяженностью территории Удмуртии предполагается различие комплексного показателя с изменением долготы или широты, рассчитанного для максимального количества точек наблюдения одновременно. Разработано приложение, с помощью которого реализованы сбор, отображение данных и расчет комплексного показателя пожарной опасности по 210 населенным пунктам в течение 94 дней летнего периода 2023 г. Приложение позволяет оценить как статические данные по пожарам в прошлом в виде «пузырьковой» визуализации, так и колебания комплексного показателя в течение пожароопасного сезона. В качестве погодного сервиса использовался OpenWeather, библиотека картографических данных - OpenLayers. Отличительными особенностями созданного приложения стали: а) отображение направления ветра и класса пожарной опасности в точках наблюдения с помощью цветовых маркеров; б) использование растровой карты-подложки региона для определения потенциальной связи сложившегося класса пожарной опасности с характером участков лесного фонда. Как показало исследование, в пределах каждого из 25 муниципальных образований региона фактический комплексный показатель может значительно меняться. Результаты многодневного мониторинга позволили установить сильную корреляционную связь (0,88) между показателем и долготой для населенных пунктов Удмуртской Республики, слабую (0,31) - между показателем и широтой. Показано, что бо́льшая часть пожаров за апрель-октябрь приходится на май - 33,8 % от общего числа случаев в 2011-2023 гг. Результаты исследования могут быть полезны для разработки и проведения мероприятий по предупреждению лесных пожаров и снижению ущерба от них, а также для уточнения или валидации зон потенциальных возгораний на основе современных подходов.
Одним из важнейших показателей состояния дерева является его фитомасса. Ее прямые измерения (c рубкой, сушкой и взвешиванием) очень трудозатратны и имеют различную степень надежности. Наименее достоверны данные по фитомассам корней (особенно для деревьев старших возрастов, где прямые раскопки корневой системы требуют значительных усилий). Это обусловливает необходимость разработки моделей расчета фитомасс фракций по достаточно просто и надежно измеряемым таксационным характеристикам. В статье для описания конструкции дерева предлагается использовать модель свободной конкуренции при распределении ресурсов, доступных дереву в процессе роста, между его фракциями (ствол, корни, ветви, листья или хвоя). Модель позволяет рассчитать соотношения между фитомассами фракций. На основе этих расчетов обосновывается метод оценки фитомасс корней. Проанализированы различия параметров моделей распределения фракций по фитомассе для разных древесных пород и различных зон произрастания. Для проверки корректности модели использованы данные из базы В. А. Усольцева (2016) по фитомассам фракций деревьев (6617 записей) в лесных насаждениях Евразии. Вычисленные ранговые распределения для 95 % деревьев различных пород разного возраста, произрастающих в неодинаковых географических условиях, имеют коэффициент детерминации больше 0,96, следовательно, данная модель носит общий характер и хорошо описывает соотношения между фитомассами фракций деревьев. Предлагаемый подход существенно упрощает полевые измерения, однако требует предварительной оценки параметров уравнения возрастной динамики для отдельной породы в конкретных климатических зонах. Проведенные по данным базы В. А. Усольцева расчеты коэффициента конкуренции для сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. в Сибири на территориях Томской и Новосибирской областей, Алтайского и Красноярского краев показывают близость параметров модели для деревьев одной породы, произрастающих в различных условиях. Использование разработанной модели позволяет оценить фитомассы дерева (включая фитомассу корней) по таким легко измеряемым показателям, как высота дерева и диаметр ствола. Предлагается подход для определения фитомассы корней, при котором вместо проведения их раскопок используются данные о фитомассах надземных фракций дерева.
Исследована трансформация лесов Южного Урала за 25-летний период с применением геоинформационных систем и методов дистанционного зондирования. Определен нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index), который отражает влияние таких факторов, как содержание хлорофилла, площадь поверхности листьев, плотность и структура растительности. Индекс вычислен на основе дешифрования разновременных космических снимков (1995, 2013 и 2020 гг.) со спутников Pleiades-1A, Landsat-5 и -8 с использованием программного пакета ArcGIS для создания карты растительности, отражающей значения NDVI, и ретроспективного анализа ее состояния. Найденные значения имеют тесную корреляционную связь с показателями жизненного состояния, полученными натурным методом (коэффициент корреляции - 0,69). Расчет индекса NDVI, генерирование карт диапазона фиксированных значений NDVI и комбинация каналов «искусственные цвета» по годам позволили выделить лесные участки с оптимальными полнотой, возрастным и санитарным состоянием (темный окрас) и участки, нуждающиеся в лесовосстановлении. Сравнение распределения территории по классам NDVI за 1995-2020 гг. говорит о существенном изменении площади отдельных классов, которые сгруппированы в 11 классов и представлены значениями от -0,14 до +0,91. К 2020 г. превосходящая часть исследуемого участка стала относиться к более высоким классам NDVI - 9 и 10 и составила 98 %, что свидетельствует о возрастной однородности насаждений и повышении продуктивности лесов с 1995 г. Насаждения, имеющие большие индексы NDVI, характеризуются увеличенным по сравнению с другими древостоями накоплением древесной биомассы. Территории классов 1-9 (NDVI 0-0,8) демонстрируют значительное сокращение площади и схожую динамику, а территории классов 10-11 (NDVI 0,8-1,0) - ощутимую положительную динамику. Результаты исследования подтверждают правильность выбора индекса NDVI из известных индексов растительности для оценки трансформации типов подстилающей поверхности изучаемого участка за 25 лет. Таким образом, этот индекс является объективным индикатором состояния лесных экосистем. Методы дешифрирования пространственных изображений могут быть использованы для определения площади лесопокрытых земель и значительно повысить эффективность управления лесными ресурсами.
В настоящее время качественный состав эксплуатационных лесных массивов возраста спелости и подходящих к нему часто является неудовлетворительным. Во многом это связано с отсутствием рубок ухода или их неправильным проведением. Производительность лесосечных работ при рубках ухода мала, получаемая древесина в большинстве случаев оказывается невостребованной. Механизация рубок ухода неудобна с производственной точки зрения и экономически невыгодна. Вместе с тем в Российской Федерации есть примеры внедрения передовых зарубежных практик осуществления рубок ухода машинным способом с использованием харвестера и форвадера. Применение этого способа позволяет кратно повысить производительность. Удельные затраты (р/м3) здесь больше затрат на сплошные рубки спелых и перестойных насаждений, однако зачастую меньше, чем при работе вальщиков леса. Еще больше повысить эффективность работы машинных лесозаготовительных комплексов при проведении рубок ухода возможно за счет автоматизации отбора деревьев в рубку. В основу такого отбора необходимо положить главную задачу данного вида рубок - получение наиболее оптимальных по размерно-качественным признакам насаждений к возрасту их спелости. Это становится возможным при учете конкурентной борьбы древесных растений в насаждении до и после проведения рубок ухода. В статье введена математическая постановка задачи назначения деревьев в рубку в однородном насаждении. Показано, что число вариантов решения растет экспоненциально. Реализован алгоритм, базирующийся на жадном методе, и выполнено экспериментальное сравнение этого метода со случайным результатом, а также с удалением дерева, имеющего самого близкого соседа среди всех деревьев. Апробация алгоритма на экспериментальных данных показала, что он эффективнее двух других.
Показатели качества пыльцы являются важнейшими характеристиками развития мужских генеративных структур. Для видов рода Pinus L. большое значение имеет количественная оценка результативности развития мужской генеративной сферы, т. к. первые, наиболее важные, этапы формирования семян имеют прямую связь с объемом продуцируемой насаждениями пыльцы и уровнем ее жизнеспособности. Исследование проводили в природных популяциях P. brutia var. pityusa Горного Крыма. Для сбора образцов пыльцы и изучения ее качества были заложены пробные площади по 4 гипсометрическим профилям в западной части южного макросклона главной гряды Крымских гор на мысе Айя, в урочищах Аязьма, Батилиман и в восточной - на г. Караул-Оба и в урочище Новый Свет. На пробных площадях с 10 модельных деревьев собирали пыльцу в период ее свободного вылета. Установлено, что пыльца P. brutia var. pityusa, произрастающей в западной части горного Крыма, имеет более высокое качество в сравнении с пыльцой деревьев восточных территорий. В восточной части также наблюдается увеличение количества аномалий размера и формы пыльцевого зерна, что связано с ухудшением температурного режима в период микроспорогенеза. Изучение свойств пыльцы с использованием метода проращивания на искусственной питательной среде выявило снижение уровня жизнеспособности пыльцы по сравнению с результатами ацетокарминового тестирования, различия составили 4-9 %. При этом наиболее высокий уровень прорастания пыльцы отмечен для насаждений верхней части массива - среднее значение составило 89,9±2,5 %, для центральной и нижней частей оно равнялось 88,1±2,7 и 87,9±3,5 % соответственно. Совместное применение 2 способов оценки жизнеспособности пыльцы позволило предложить новый показатель ее качества - индекс реализации мужского гаметофита на стадии прорастания пыльцы. При помощи данного подхода установлено, что наиболее низкий индекс свойствен насаждениям центральной части лесного массива урочища Аязьма - 0,911.
Радиальный прирост ствола старовозрастных деревьев дуба черешчатого может быть источником информации об их росте и развитии на заключительном этапе жизни и о потенциале долговечности. Цель исследования - оценка жизненного состояния дуба в онтогенезе на основе анализа вековой цикличности радиального прироста ствола. Объекты - группы деревьев, различающихся по динамике развития кроны, в 90- и 270-летних нагорных и 130- и 230-летних пойменных дубравах Теллермановского опытного лесничества РАН. Приросты измерены по изображениям кернов ствола, отсканированных при разрешении 1200 dpi. Жизненное состояние дуба характеризовали по приросту ранней древесины и его связи с развитием кроны. Выделены вековые циклы радиального прироста, обусловленные развитием и самоизреживанием древостоев. В нагорных дубравах, возобновившихся на вырубках, 1-я ветвь цикла - нисходящая, в пойменных, начавших рост под пологом, - восходящая. Первая ветвь векового цикла продолжается до возраста дуба 150-170 лет, 2-я - до 200-250 лет. Коэффициенты вариации радиального прироста ранней и поздней древесины изменяются в пределах соответственно 15-37 и 34-75 % и в значительной мере зависят от вековой цикличности. Полученные результаты свидетельствуют о приоритете развития кроны над ростом ствола в динамике векового цикла. Так, на нисходящих ветвях циклов относительное снижение прироста поздней древесины значительно больше, чем ранней - в 1,2-3,8 раза, а на восходящих его относительное увеличение выше только в 1,0-1,7 раза. При переходе от 1-й ко 2-й ветви векового цикла средний прирост ранней древесины в превосходящем количестве случаев увеличился, а соотношение среднего прироста поздней и ранней древесины снизилось. В вековом цикле максимальное изменение прироста ранней древесины равняется ширине 1 ряда сосудов. Современное жизненное состояние изученных старовозрастных дубов оценено как удовлетворительное. В условиях меньшего поражения гнилями долговечность дуба черешчатого могла бы быть значительно выше.
Анализ природоохранной деятельности предприятий лесопромышленного комплекса по данным из открытых источников и по опыту экспертной оценки негативного воздействия ряда промышленных объектов, перерабатывающих биомассу древесины, позволил описать механизмы влияния интегрального вида хозяйственной деятельности на современный техногенез. Выделены группы техногенеза, свойственные для естественных ландшафтно-геохимических процессов в зоне влияния предприятий лесопромышленного комплекса: биогенез, гидрогенез, гуматогенез, хелатогенез и антропогеноценоз. При промышленной эксплуатации леса меняется ядро лесного биогеоценоза и специфический комплекс растений нижнего яруса, определяющий биогенную миграцию. Рассмотрены особенности проявления гидрогенеза, сопряженные с изменением действия воды и ее проникновением в литосферу. Проявления гуматогенеза и хелатогенеза проанализированы с позиции изменения содержания углерода в лесных подстилках. Установлено, что источниками антропогеноценоза являются объекты технической инфраструктуры и хозяйственной деятельности, которые сопряжены с оборотом и переработкой древесного сырья, что способствует изменению характера миграции, аккумуляции химических веществ в различных средах и формированию биогеохимических барьеров на их пути. Отмечается особый тип «экономической урбанизации» на современном этапе общественного развития, в которой участвует лесопромышленный комплекс как переработчик растительного сырья и поставщик готовой продукции с генерацией отходов в городских агломерациях с их возможной последующей переработкой. Выделено несколько предполагаемых механизмов техногенеза на различных этапах развития хозяйственной деятельности в лесном секторе. Подчеркнута значительная роль деградационного механизма. Современная ориентация природопользования и развитие модифицирующих механизмов техногенеза, таких как поддерживающий, креативный и управляющий (наиболее перспективный для реализации циркулярной экономики) и их сочетание в процессе эксплуатации территории открывают новые возможности. Даны прогнозы перспективности перехода от традиционно воспринимаемого техногенеза (преимущественно деградационного) к ноотехногенезу. Этот переход основан на реализации принципов управляемой природно-технической системы с учетом динамики восстановления и регулирования воспроизводства лесных ресурсов в условиях экологических ограничений, что является залогом устойчивого лесопромышленного комплекса.
Описана история развития имитационного моделирования в сфере функционирования машин для валки леса, названы основные лидеры в разработке систем компьютерной поддержки принятия управленческих решений, перечислены преимущества и недостатки различных подходов к имитационному моделированию производственного процесса в лесу. Целью исследования стала оценка достижений в данной области и поиск путей повышения их эффективности и совершенствования. Отмечено, что имитационный подход исключает колебания результатов из-за неконтролируемых факторов, таких как воздействие оператора и погода, а редкие нециклические рабочие элементы и задержки различных видов могут быть исключены из имитационной модели. Это облегчает сравнение производительности альтернативных систем машин и технологий в идеальных условиях. Проведенный обзор позволяет заострить внимание ученых на недостаточной изученности функционирования машин на валке деревьев при несплошных рубках леса; необходимости увеличения числа анализируемых факторов, повышающих точность моделирования; максимального использования в моделях современных технологических рекомендаций по работе операторов лесных машин; важности создания математических зависимостей с учетом факторов, влияющих на эффективность труда. Сделан вывод, что существующие модели перспективны, но все еще оставляют большое поле деятельности для дальнейшей модернизации и новых исследований. Обзор наглядно демонстрирует значительное увеличение числа анализируемых показателей природно-производственного процесса при имитационном моделировании по сравнению с математическим и сокращение трудовых и материальных затрат по сравнению с изучением технологических процессов в производственных условиях. Имитационное моделирование машинной валки леса позволяет учесть влияние случайных факторов внешней среды, а также факторов взаимодействия лесозаготовительной техники. Широкое внедрение подобных компьютерных систем при заготовке лесоматериалов повысит эффективность технологических карт освоения лесных участков и обоснования нормативных показателей работы машин.
- 1
- 2