Разработка модели биомассы Picea L. и Abies L. для региональных условий Евразии

Abstract

Forest ecosystems play a major role in climate stabilization, and continuous monitoring of their biomass is of paramount importance. Airborne laser scanning technology has become widespread in assessing tree biomass by remote sensing of such inventory indices of trees and stands as crown width and projection area, tree and stand height. The work uses the author's observation database of 1550 model trees of spruce (Picea L.) and 535 model trees of fir (Abies L.) growing in Eurasia. The database provides information on tree height, crown width and length, as well as biomass of trunk, foliage, branches and roots. It was found that two-factor allometric models of biomass components, including crown width and tree height as independent variables, are the most informative. A positive correlation with crown width and tree height has been identified for all biomass components. Biomass of components of similar-sized fir trees was found to be 45-71 % higher than that of spruce at the statistically reliable level. This is possibly due to the fact that with the same height the crown width of the fir is 11 % less compared to the spruce. The contribution of winter temperatures and precipitation to the variability of biomass components was estimated. The biomass of all components of equal-sized trees is described by a propeller-like 3D dependence. In warm regions, the biomass increases with increasing precipitation; the dependence is characterized by an opposite or neutral trend with the transition to cold regions. The biomass increases with increasing temperature in humid regions, and decreases with the transition to dry climatic conditions. Inclusion of crown length as an additional independent variable in the allometric model practically did not improve its predictive ability. The contribution of inventory indices of trees, their species, and climatic variables to explaining the variability of biomass components is 72.9, 13.5 and 13.6 %, respectively. Climatic variables explain most of the variability in trunk and above-ground biomass (18 to 20 %), least of all in needles and branches (8 to 9 %). The findings can be useful for laser monitoring of forest biomass and predicting possible changes in tree biomass structure in case of climatic deviations.

Лесные экосистемы играют большую роль в стабилизации климата, и непрерывный мониторинг их биомассы имеет первостепенное значение. Технология бортового лазерного сканирования получила широкое распространение при оценке биомассы деревьев за счет дистанционной регистрации таких таксационных показателей деревьев и древостоев, как ширина и площадь проекции кроны, высота дерева и древостоя. В работе использована авторская база эмпирических данных 1550 модельных деревьев ели Picea L. и 535 пихты Abies L. Евразии. База данных содержит сведения о высоте дерева, ширине и длине кроны, биомассе ствола, листвы, ветвей и корней. Выявлено, что наибольшую информативность имеют 2-факторные аллометрические модели компонентов биомассы, включающие в качестве независимых переменных ширину кроны и высоту дерева. Для всех компонентов биомассы установлена положительная связь с шириной кроны и высотой дерева. На статистически достоверном уровне биомасса компонентов одинаковых по размеру деревьев пихты на 45-71 % больше, чем у ели. Это можно объяснить тем, что при одной и той же высоте дерева ширина кроны у пихты на 11 % меньше по сравнению с елью. Оценен вклад зимних температур и осадков в изменчивость компонентов биомассы. Биомасса всех компонентов равновеликих деревьев описывается пропеллерообразной 3D-зависимостью. В теплых регионах при повышении количества осадков биомасса увеличивается, по мере перехода к холодным регионам зависимость характеризуется противоположным или нейтральным трендом. С ростом температуры во влажных регионах биомасса становится больше, по мере перехода в сухие условия - меньше. Включение в аллометрическую модель длины кроны как дополнительной независимой переменной практически не улучшило ее прогностическую способность. Вклад таксационных показателей деревьев, их видовой принадлежности и климатических переменных в объяснение изменчивости компонентов биомассы составляет соответственно 72,9; 13,5 и 13,6 %. Климатические переменные в наибольшей степени объясняют изменчивость биомассы стволов и надземной биомассы (от 18 до 20 %), в наименьшей степени - хвои и ветвей (от 8 до 9 %). Полученные результаты могут быть полезны при лазерном мониторинге биомассы лесов и прогнозировании возможных изменений структуры биомассы деревьев в случае климатических отклонений.