Проект РФФИ №18-04-00527

Анализ продуктивности смешанных лесов средствами имитационного моделирования.

Фундаментальная научная задача
Исследование направлено на оценку и прогноз комплексного воздействия различных природных и антропогенных факторов на рост и продуктивность смешанных лесов и динамику углерода и азота в них с учетом особенностей различных типов местообитаний. Экспериментально показано, что смешанные древостои продуктивнее чистых в силу эффекта разделения ниш, связанного с преимущественной приуроченностью корневых систем и фотосинтезирущих органов деревьев к разным слоям почвы и древесного полога, соответственно, что снижает остроту конкуренции за ресурсы. Ранее авторами заявки были разработаны модели конкуренции, которые учитывают такие видоспецифичные различия. Далее для реализации задачи исследования необходимо интегрировать данные модели конкуренции с моделью продукционного процесса и оценить с помощью полученной системы моделей влияние на продуктивность древостоев разного состава видоспецифичных адаптационных механизмов. Кроме того, нуждается в проверке средствами имитационного моделирования предположение о более высокой устойчивости смешанных древостоев в силу высокого структурного разнообразия.

Цель проекта
С помощью имитационного моделирования оценить роль адаптационных механизмов в смягчении конкуренции между деревьями за свет и минеральные ресурсы почвы и повышении продуктивности смешанных древостоев.

Задачи проекта
1. Разработка новой версии модели продукционного процесса 3PG, уточнение параметров модели и усовершенствование ряда функций отклика.
2. Доработка процедуры распределения биомассы по органам на основе уравнения свободной конкуренции, уточнение параметров уравнения для подроста древесных растений.
3. Уточнение параметров моделей конкуренции для основных видов деревьев хвойно-широколиственных лесов.
4. Интеграция моделей продукционного процесса и распределения биомассы с ранее разработанными пространственно-детализованными моделями конкуренции за свет и элементы минерального питания.
5. Проведение имитационных экспериментов по оценке конкуренции за ресурсы (свет и элементы минерального питания) и продуктивности в древостоях разного состава, сравнение спрогнозированной продуктивности чистых и смешанных древостоев.

Полученные в 2018 году основные результаты
На постоянной пробной площади (ППП) в Государственном природном заповеднике «Калужские засеки» было проведено выборочное измерение общей высоты и высоты точки прикрепления кроны для 175 деревьев разных ступеней толщины, принадлежащих 8 видам.  Анализ результатов показал наличие количественных видоспецифичных зависимостей протяженности кроны от общей высоты дерева, связанных с жизненными стратегиями разных видов. Также проводился отбор образцов почвы и измерение коэффициента пропускания света пологом древостоя. В березняке, произрастающем на заброшенных землях сельскохозяйственного назначения рядом со стеной старовозрастного широколиственного леса, были отобраны 27 особей подроста деревьев. Для каждой особи подроста измерялись ее размеры, а также оценивались его онтогенетическое состояние и жизненность. Далее особь подроста разделялась на органы, у которых в камеральных условиях измерялась абсолютно сухая масса. Для описания распределения биомассы между органами дерева были использованы ранговые распределения. Ранжирование показало, что модой для рангов разных фракций биомассы является: 1 - для стволов, 2 - для скелетных корней, 3 - для листвы, 4 - для тонких корней и 5 - для ветвей; с помощью регрессионного анализа были оценены коэффициенты уравнения рангового распределения. Разработана модель продукционного процесса, являющейся модификацией хорошо известной модели 3‑PG (Physiological Principles in Predicting Growth), которая позволяет рассчитать продукцию биомассы отдельного дерева в зависимости от количества полученных им ресурсов: почвенного азота и фотосинтетически активной радиации (ФАР). Модель использует понятие модификаторов – функций, описывающих зависимость продуктивности от количественной характеристики определенных факторов окружающей среды (температуры и влажности воздуха, запаса воды в почве, концентрации углекислого газа в воздухе), выраженных в физических единицах. В предлагаемую версию модели, по сравнению с ранее представленными в литературе, внесены существенные корректировки и дополнения. В частности, введены более детализированные функции отклика на температуру воздуха, влажность почвы и количество азота, потребляемого деревом из почвы. Введена новая процедура расчета эффективности поглощения ФАР, учитывающая различие между светолюбивыми и теневыносливыми видами. Для описания распределения прироста биомассы между органами дерева были использованы ранговые распределения. Оценены параметры модели для 12 наиболее распространенных видов деревьев Европейской части РФ. Проведено тестирование работы модели в широком диапазоне экологических условий.