Создание карты сомкнутости крон

Сомкнутость крон является необходимым критерием для расчета площади листовой поверхности на 1 га лесопокрытой площади и определяется через площадь крон, приходящейся на 1 га леса. Исходной основой  для расчетов послужила базовая подложка мозаики космических снимков ArcGIS Imagery, пространственное разрешение которой позволяет визуально определять наличие растительности  и выделенные по снимку Sentinel лесные участки. Создание карты сомкнутости крон производилось в лицензионном программном комплексе ArcGIS 10.4. Для подсчета характеристики сомкнутости экстент изучаемой области был разбит на сетку  квадратов 100*100 метров. Далее для каждого квадрата производились оверлейные операции методами ГИС-технологий для подсчета площади, занятой растительностью. Результат измерений по сетке квадратов показан на рисунке (рис. 7).

Рис. 7 – Картосхема сомкнутости крон

 

Для оценки пространственно распределенного слоя осадков h (мм), безвозвратно удерживаемого кронами древостоев, исходя из зависимостей, представленных на рис. 3, использовано соотношение:

,

где k – полнота древостоя, γ – удельное водоудержание (масса воды, кг, на 1 м2 листовой поверхности LA). Величина удельного водоудержания γ для лесообразующих пород вычислена как среднее взвешенное исходя из доли пород в площади водосбора, на основе эмпирических зависимостей:

γ=167 – для хвойных древостоев, γ=92,7 – для лиственных древостоев, γ=108 – для смешанных древостоев с преобладанием лиственных пород, γ=151 – для смешанных древостоев с преобладанием хвойных пород.

В свою очередь, величина LAI оценена для основных типов древостоев по формулам, вытекающим из эмпирических зависимостей, предложенных Уткиным и вычисленных как среднее взвешенное для лесообразующих пород древостоя модельного водосбора (табл. 4).

Таблица 4 – Значения LAI (га/га) и его связь с массой листьев F ₁, (т/га) (по Уткину А.И., 2008)

Порода	Уравнения регрессии	R2
Ель обыкновенная (Picea abies)	LAI = 0.80+0.56F1	0.61
Пихта сибирская (Abies sibirica)	LAI = 0.60+0.5l F1	0.72
Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris)	LAI = 0.14+0.47F1	0.66
Лиственница сибирская (Larix sibirica)	LAI = 0.20+0.57 F1	0.83
Береза повислая (Betula pendula)	LAI = 0.94+1.43 F1	0.85
Осина обыкновенная (Populus tremula)	LAI = 0.94+1.43 F1	0.85
Липа мелколистная (Tilia cordata)	LAI = 0.47+1.79 F1	0.95
Хвойные древостои (19% - ель, 79% - сосна обыкновенная,2% - другие породы)	LAI = 0.27+0.49 F1	–
Лиственные древостои (10% - липа, 88% - береза и осина, 2% - другие породы)	LAI = 0.90+1.47 F1	–
Смешанные древостои с преобладанием лиственных пород (75% и более)	LAI = 0.74+1.30 F1	–
Смешанные древостои с преобладанием хвойных пород (75% и более)	LAI = 0.43+0.74 F1	–

 

На основе указанных соотношений, расчетов, экспериментальных работ были рассчитаны и картографированы величины безвозвратного удержания жидких осадков кронами. Все ранее полученные данные по изучаемой области методами ГИС-технологий и операций пространственного анализа были приведены в единый тематический слой. Далее по данным таблицы атрибутов слоя с помощью инструментов ArcGIS 10.4 Калькулятор полей был произведен пересчет данных по формуле, указанной выше. Полученные данные были классифицированы по методу заданных интервалов и показаны на карте (рис. 8).

Рис. 8 – Картосхема перехвата осадков кронами

 

Как видно из результатов расчетов, наибольшей способностью к водоудержанию обладает лиственница обыкновенная (для данного бонитета и возраста – до 147 л воды), а наименьшей – осина (13,3 л воды). Слой начального перехвата осадков достигает 5,9 мм в расчете на 1 га лесопокрытой площади. С изменением возраста и класса бонитета натурных древостоев слой перехвата осадков на 1 га может достигать величин 5-8 мм и даже более. В связи с неравномерностью распределения лесообразующих пород на водосборе величина осадков, фактически поступающих под полог, существенно отличается от величины фактически выпавших осадков на полог леса. Картирование (пространственное распределение потерь осадков кронами) выполнено впервые в мировой научной практике.

Выводы

На основании серии экспериментов по искусственному дождеванию пород деревьев установлены предельные величины удельного удержания влаги на листовых пластинах в ходе дождя. Удельная масса удержания в расчете на 1 м2 листовой поверхности определяется характером поверхности листовой пластины и, прежде всего, типом жилкования. Для листьев, имеющих перисто-сетчатое жилкование (вяз, черемуха), удержание в 2-3 раза больше (180-200 г/м2), чем для листьев перисто-краевого типа жилкования (береза, осина; 27-100 г/м2). Общая масса удержания определяется площадью листовой поверхности в момент выпадения дождя, различной для разных пород деревьев, возрастом и высотой древостоев.

В ходе экспериментов площадь листовой поверхности определялась для «нормальной» листовой пластины в репрезентативной выборке (для выборки определялись статистические параметры площади листа: норма, коэффициенты вариации и асимметрии). Количество листьев на опытной ветви определялось путем ручного подсчета. Статистические погрешности определения суммарной площади при этом не превышали 11%. Погрешности определения массы удерживаемой влаги составляли 4.3%.

Полученные величины, выраженные в характеристиках слоя удержанных кронами осадков, были визуализированы на картах. Подобные карты, построенные по разработанной авторами методике, могут быть использованы при расчете элементов водного баланса участков смешанных лесов, максимальных ливневых расходов воды с лесных водосборов. Кроме того, принимая во внимание тот факт, что дождевые осадки, удержанные кронами, расходуются только на испарение, данный способ оценки пространственного распределения потерь осадков может быть использован для оценки месячных сумм жидких осадков в виде поправок к суточным величинам дождевых осадков.

На основании экспериментов по искусственному орошению ветвей установлены параметры зависимости между площадью листовой поверхности (LA, м²) и максимальной массой удерживаемой воды (m, г). На основе зависимостей и данных по площадям листовой поверхности расчетных водосборов появляется возможность рассчитать величину перехвата за время выпадения дождя, а также потери на испарение с площади кроны, распределенные в пространстве.

Наблюдения над осадками под кронами хвойных (на четырех дождемерах) и на открытой местности (один дождемер), проводившиеся в октябре 2017 г., подтвердили расчетные величины водоудержания. По данных полевых дождемеров М-99 установлено, что кроны еловых деревьев (80 лет, II класс бонитета) перехватывают 2-4 мм дождевых осадков. Метеорологические наблюдения требуют продолжения с привлечением самописцев дождя (плювиографов).

Разработанный авторами способ оценки и картографирования безвозвратных потерь осадков кронами древостоев может быть использованы в моделировании паводочного стока малых рек лесной зоны Урала. Учет величины безвозвратных потерь осадков на кронах древостоев позволяет существенно повысить точность расчетов паводочного стока малых рек генетическими методами.

Список литературы

О картировании

Данилин И.М. Лазерное профилирование лесного полога // Лесоведение. 2003. №6. С. 64-69

Курбанов, Э.А. О.Н. Воробьев, C.А. Меньшиков, Л.Н. Смирнова Распознавание лесных насаждений и доминирующих древесных пород Пензенской области по данным спутника Sentinel-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2018. – Т. 15. – № 5. – С. 154-166.

Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве: Учеб. для вузов Йошкар-Ола: МарТТУ, 2005. 392 с.

О зарубежных моделях перехвата

Horton, R.E. (1919). Rainfall Interception. Monthly Weather Review, 47(9), 603-623. https://doi:/10.1175/1520-0493(1919)47<603:RI>2.0.CO;2

Buhler, Dr. A. (1891). Swiss Central Bureau for Forest Research Investigation. Proceedings. 1(1). Contains detailed results of Adiisbeig and other Swiss stations

Gash, J.H.C., Lloyd, C.R. & Lachaud, G. (1995). Estimating Sparse Forest Rainfall Interception with an Analytical Model. Journal of Hydrology, 170(1-4), 79-86. https://doi:10.1016/0022-1694(95)02697-N

Thomas, G. Pypker, Catherine S. Tarasoff & Hong-Suk Koh (2012). Assessing the Efficacy of Two Indirect Methods for Quantifying Canopy Variables Associated with the Interception Loss of Rainfall in Temperate. Hardwood Forests Open Journal of Modern Hydrology, 2(2), 29-40. https://doi: 10.4236/ojmh.2012.22005

Klaassen, W., Bosveld, F. & Water, E. de (1998). Water Storage and Evaporation as Constituents of Rainfall Interception. Journal of Hydrology, 212-213, 36-50. https://doi:10.1016/S0022-1694(98)00200-5

T. E. Link, M. H. Unsworth and D. Marks, “The Dynam-ics of Rainfall Interception by a Seasonal Temperate Rain- forest,” Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 124, No. 3-4, 2004, pp. 171-191. doi:10.1016/j.agrformet.2004.01.010

M. Herbst, P. T. W. Rosier, D. D. McNeil, R. J. Harding and D. J. Gowing, “Seasonal Variability of Interception Evaporation from the Canopy of a Mixed Deciduous Forest,” Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 148, No. 11, 2008, pp. 1655-1667. doi:10.1016/j.agrformet.2008.05.011

Muzylo, A., P. Llorens, F. Valente, J.J. Keizer, F. Domingo, and J.H.C. Gash. (2009). A review of rainfall interception modelling. Journal of Hydrology 370: 191-206.

О гидрологии

Голубцов В.В. Моделирование стока горных рек в условиях ограниченной информации. Алматы, 2010. 232 с.

Грошев Б.И., Синицын С.Г., Мороз П.И., Сеперович И.П. Лесотаксационный справочник. М.: Лесная промышленность, 1980. 288 с.

Онучин А.А. Влагооборот горных лесов Сибири (локальные и региональные особенности): дисс. …д-ра биол. наук. Красноярск, 2003. 222 с.

Рахманов В.В. Лесная гидрология: Обзор // Итоги науки и техники. Сер. Лесоведение и лесоводство. М., 1981. 181 с.

Utkin A.I., Ermolova L.S. & Utkina I.A. (2008). The surface area of forest plants: the nature, parameters, use. Nauka, 290 p.

Shvidenko A.Z., Shchepashchenko D.G., Nil'sson S. & Buluy YU.I. (2008). ables and models of the growth and productivity of plantations of the main forest-forming species of Northern Eurasia. Reference Materials / Federal Forestry Agency, Intern. Institute of Applied Systems Analysis. Moscow, 886 p.

Bele J. Prispevek ke zjistokani strat vody intercepcnim vyparem ve smrkovych porostech (1975). Lesnictvi, 21(48), 633-652.

Bile J. (1980). Tvorba zasob snihuve smrkove hospodarske skupine. Lesnictvi, 26(53), 729-736.

Zhao Pan, Floriane Weyer, William G. Pitt, Nicolas Vandewalle, Tadd T. Truscott. (2018). Drop on a bent fibre. Soft Matter, 432. https://doi.org/10.1039/C7SM01729D.

 

Klimenko, D.E., Ostakhova, A.L. (2018). Modeling Of Rain Losses On The Crowns Of Coniferous Stands Of The Urals. Practical Geography and XXI Century Challenges. International Scientific and Practical Conference, 4-6 June 2018, Moscow. Conference Book. – Moscow: Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, - 2018. pp. 416-418 (https://yadi.sk/d/3hFZnoTc3VUDnW).

Klimenko, D.E., Ostakhova, A.L. & Tuneva, A. (2019). Experimental Data on Maximum Rainfall Retention on Crowns of Deciduous Tree Species of the Middle Ural (Russia). Forests, 10(2):183. https://doi.org/10.3390/f10020183.

Клименко Д.Е., Остахова А.Л. Моделирование потерь дождевых осадков на кронах хвойных древостоев // Лесоведение, 2020. №4.