Под сенью крон: Полное руководство по методам лесных исследований

Леса — это жизненно важные экосистемы, играющие ключевую роль в регулировании климата, сохранении биоразнообразия и предоставлении необходимых ресурсов. Понимание их сложной динамики требует надежных исследовательских методологий. В этом руководстве представлен обзор основных методов лесных исследований, применяемых во всем мире, включая методы инвентаризации, экологические исследования, применение дистанционного зондирования и стратегии сохранения.

1. Инвентаризация лесов: измерение лесных ресурсов

Инвентаризация лесов (таксация) — это процесс сбора количественных данных о лесных ресурсах. Эта информация необходима для устойчивого лесопользования, планирования лесозаготовок и мониторинга состояния лесов. Ключевые аспекты инвентаризации лесов включают:

1.1. Методы закладки пробных площадей

Закладка пробных площадей предполагает создание в лесу участков фиксированной площади или переменного радиуса для сбора данных о характеристиках деревьев. Распространенные методы включают:

Пробные площади фиксированного размера: Закладываются круглые, квадратные или прямоугольные участки заранее определенного размера. Измеряются все деревья в пределах участка. Этот метод прост и обеспечивает точные оценки густоты древостоя и суммы площадей сечения.
Пробные площади переменного радиуса (точечная выборка): Для отбора деревьев для измерения на основе их размера и расстояния от точки отбора используется призма или полнотомер. Этот метод, часто называемый методом Биттерлиха или угловым методом, эффективен для оценки суммы площадей сечения.

Пример: В Канаде Национальная инвентаризация лесов использует систематическую сетку пробных площадей фиксированного размера для мониторинга состояния лесов по всей стране. Аналогичные схемы систематической выборки используются в программе инвентаризации и анализа лесов (FIA) США.

1.2. Параметры измерения деревьев

Стандартные измерения деревьев включают:

Диаметр на высоте груди (DBH): Измеряется на высоте 1,3 метра от уровня земли. DBH является фундаментальным параметром, используемым для оценки объема и моделирования роста.
Высота дерева: Общая высота дерева измеряется с помощью таких инструментов, как клинометры или лазерные дальномеры. Высота необходима для оценки объема дерева и продуктивности участка.
Размеры кроны: Ширина и длина кроны часто измеряются для оценки жизнеспособности дерева и конкуренции.
Вид дерева: Точное определение вида имеет решающее значение для понимания состава леса и экологических процессов.

Пример: Стандартизированные протоколы измерения DBH используются на международном уровне такими организациями, как Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО), для обеспечения согласованности в оценках лесных ресурсов.

1.3. Оценка объема

Объем дерева оценивается с помощью математических уравнений или объемных таблиц, которые связывают DBH и высоту с объемом. Эти уравнения часто зависят от вида и региона. Затем общий объем насаждения рассчитывается путем суммирования объемов отдельных деревьев в пределах пробных площадей и экстраполяции на всю площадь леса.

Пример: В тропических лесах часто разрабатываются сложные аллометрические уравнения для оценки биомассы деревьев и накопления углерода, учитывающие разнообразие видов и форм деревьев.

2. Лесная экология: понимание динамики экосистем

Исследования в области лесной экологии сосредоточены на взаимодействии между деревьями, другими организмами и окружающей средой. Эта область охватывает широкий круг тем, включая круговорот питательных веществ, взаимодействие растений и животных, а также влияние нарушений на лесные экосистемы.

2.1. Изучение растительности

Методы изучения растительности используются для характеристики состава, структуры и разнообразия растительных сообществ в лесу. Распространенные методы включают:

Квадратный метод: Небольшие, определенные участки (квадраты) используются для отбора проб травянистой растительности, кустарников и подроста деревьев. Собираемые данные обычно включают наличие/отсутствие видов, их обилие и покрытие.
Метод линейных пересечений: Прокладывается измерительная лента или трансектная линия, и регистрируется длина линии, пересекаемой различными видами растений. Этот метод полезен для оценки покрытия и встречаемости растений.
Метод ближайших индивидуумов: В каждой точке выборки определяется и измеряется ближайшее дерево в каждом из четырех квадрантов. Этот метод дает оценки густоты древостоя и суммы площадей сечения.

Пример: В лесах умеренного пояса Европы часто проводятся геоботанические обследования для оценки влияния загрязнения воздуха и изменения климата на лесные растительные сообщества.

2.2. Анализ почвы

Свойства почвы играют решающую роль в продуктивности лесов и круговороте питательных веществ. Образцы почвы собираются для анализа таких параметров, как:

Текстура почвы: Соотношение песка, ила и глины в почве.
pH почвы: Мера кислотности или щелочности почвы.
Содержание питательных веществ: Концентрация основных питательных веществ для растений, таких как азот, фосфор и калий.
Содержание органического вещества: Количество разложившихся растительных и животных остатков в почве.

Пример: Исследования в тропических лесах Амазонии изучают ограничения по питательным веществам в почве и роль микоризных грибов в их поглощении деревьями.

2.3. Учеты диких животных

Учеты диких животных проводятся для оценки численности, распространения и использования местообитаний видами животных в лесу. Методы включают:

Фотоловушки: Удаленные камеры устанавливаются для получения изображений или видео животных.
Учеты по следам: Следы животных идентифицируются и подсчитываются вдоль установленных трансектов.
Орнитологические учеты: Виды птиц идентифицируются и подсчитываются по визуальным или слуховым признакам.
Исследования методом «отлов-мечение-повторный отлов»: Животных отлавливают, метят, выпускают, а затем повторно отлавливают для оценки размера популяции.

Пример: В Юго-Восточной Азии фотоловушки используются для мониторинга популяций исчезающих видов, таких как тигры и слоны.

2.4. Дендрохронология

Дендрохронология — это наука о датировании событий по годичным кольцам деревьев. Анализируя закономерности роста годичных колец, исследователи могут реконструировать прошлые климатические условия, датировать лесные нарушения и оценивать возраст и темпы роста деревьев. Керны деревьев извлекаются с помощью возрастного бурава, а кольца измеряются и перекрестно датируются для создания хронологии.

Пример: Дендрохронологические исследования в Швейцарских Альпах выявили долгосрочные закономерности наступления и отступления ледников и их влияние на лесные экосистемы.

3. Дистанционное зондирование и ГИС: картографирование и мониторинг лесов на расстоянии

Технологии дистанционного зондирования, такие как спутниковые снимки и аэрофотосъемка, предоставляют ценные инструменты для картографирования и мониторинга лесных ресурсов на больших территориях. Геоинформационные системы (ГИС) используются для анализа и визуализации пространственных данных.

3.1. Анализ спутниковых снимков

Спутниковые снимки, такие как данные Landsat и Sentinel, используются для картирования лесного покрова, оценки состояния лесов и мониторинга обезлесения. Различные спектральные каналы снимков можно комбинировать для создания вегетационных индексов, таких как нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI), который чувствителен к изменениям в «зелености» растительности.

Пример: Платформа Global Forest Watch использует спутниковые снимки для отслеживания темпов обезлесения в режиме реального времени по всему миру.

3.2. Технология Лидар (LiDAR)

Детектирование и определение дальности с помощью света (Лидар, LiDAR) — это технология дистанционного зондирования, которая использует лазерные импульсы для измерения расстояния до поверхности Земли. Данные лидара можно использовать для создания трехмерных моделей лесной структуры с высоким разрешением, включая высоту деревьев, сомкнутость крон и биомассу.

Пример: В Швеции лидар используется для оценки запасов древесины и планирования лесозаготовительных операций.

3.3. Применение ГИС

Программное обеспечение ГИС используется для интеграции и анализа пространственных данных из различных источников, включая спутниковые снимки, данные лидара и данные инвентаризации лесов. ГИС можно использовать для создания карт лесных ресурсов, выявления территорий с высокой природоохранной ценностью и моделирования воздействия практик лесоуправления.

Пример: В Бразилии ГИС используется для мониторинга обезлесения в тропических лесах Амазонии и для обеспечения соблюдения природоохранного законодательства.

4. Стратегии сохранения и управления лесами

Лесные исследования играют решающую роль в разработке стратегий сохранения и управления лесами. Понимание лесной экологии, динамики и угроз необходимо для разработки эффективных подходов к устойчивому лесопользованию.

4.1. Устойчивое лесопользование

Устойчивое лесопользование направлено на сбалансированное сочетание экономических, социальных и экологических ценностей лесов. Ключевые принципы включают:

Поддержание лесного биоразнообразия: Защита разнообразных видов растений и животных.
Сохранение почвенных и водных ресурсов: Минимизация эрозии почвы и защита качества воды.
Содействие здоровью леса: Предотвращение и борьба с вредителями и болезнями леса.
Обеспечение долгосрочного производства древесины: Управление лесами для устойчивого получения древесины и других лесных продуктов.

Пример: Лесной попечительский совет (FSC) — это международная организация, которая продвигает ответственное управление лесами через сертификацию.

4.2. Возобновление лесов и облесение

Возобновление лесов (рефорестация) предполагает посадку деревьев на землях, которые ранее были покрыты лесом, в то время как облесение (аффорестация) — это посадка деревьев на землях, которые ранее не были лесом. Эти практики могут помочь восстановить деградировавшие экосистемы, поглощать углерод и создавать среду обитания для диких животных.

Пример: Инициатива «Великая зеленая стена» в Африке направлена на борьбу с опустыниванием путем посадки пояса деревьев в регионе Сахель.

4.3. Управление охраняемыми территориями

Создание и управление охраняемыми территориями, такими как национальные парки и природные заповедники, является важнейшей стратегией сохранения лесного биоразнообразия. Эффективное управление охраняемыми территориями требует:

Четко определенные границы: Обеспечение того, чтобы границы охраняемой территории были четко определены и соблюдались.
Мониторинг и правоприменение: Мониторинг лесных ресурсов и обеспечение соблюдения правил для предотвращения незаконных рубок, браконьерства и других угроз.
Вовлечение сообщества: Привлечение местных сообществ к управлению охраняемыми территориями.

Пример: Программа «Охраняемые территории Амазонского региона» (ARPA) в Бразилии направлена на расширение и укрепление сети охраняемых территорий в тропических лесах Амазонии.

4.4. Смягчение последствий изменения климата и адаптация к ним

Леса играют решающую роль в смягчении последствий изменения климата, поглощая углекислый газ из атмосферы. Лесные исследования необходимы для понимания влияния изменения климата на лесные экосистемы и для разработки стратегий адаптации к этим изменениям.

Секвестрация углерода: Управление лесами для максимального накопления углерода в деревьях и почве.
Сокращение обезлесения: Предотвращение обезлесения и деградации лесов.
Адаптация к меняющемуся климату: Выбор видов деревьев, устойчивых к изменяющимся климатическим условиям.

Пример: Программа «Сокращение выбросов в результате обезлесения и деградации лесов» (REDD+) предоставляет финансовые стимулы развивающимся странам для сокращения обезлесения и деградации лесов.

5. Статистический анализ в лесных исследованиях

Статистический анализ имеет решающее значение для интерпретации данных, собранных в ходе лесных исследований. Он включает описательную статистику, индуктивную статистику и методы моделирования.

5.1. Описательная статистика

Описательная статистика обобщает характеристики набора данных. Распространенные меры включают среднее значение, медиану, моду, стандартное отклонение и дисперсию. Эти статистики дают базовое понимание распределения и изменчивости данных.

5.2. Индуктивная статистика

Индуктивная статистика используется для того, чтобы делать выводы о совокупности на основе выборки. Это включает проверку гипотез, доверительные интервалы и регрессионный анализ. Распространенные статистические тесты, используемые в лесных исследованиях, включают t-критерий, ANOVA и критерий хи-квадрат.

5.3. Методы моделирования

Методы моделирования используются для прогнозирования будущих состояний леса на основе текущих данных. Сюда входят модели роста, модели продуктивности и модели воздействия изменения климата. Эти модели помогают лесоводам принимать обоснованные решения об устойчивом лесопользовании.

6. Новые технологии в лесных исследованиях

Несколько новых технологий революционизируют лесные исследования, обеспечивая более эффективный и точный сбор и анализ данных.

6.1. Дроны (беспилотные летательные аппараты)

Дроны, оснащенные камерами высокого разрешения и лидарными датчиками, все чаще используются для картографирования, мониторинга и оценки лесов. Дроны могут быстро и эффективно собирать данные на больших территориях, предоставляя подробную информацию о структуре, состоянии и составе леса.

6.2. Искусственный интеллект и машинное обучение

Алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) используются для анализа больших наборов данных и выявления закономерностей, которые было бы трудно обнаружить вручную. ИИ и МО могут использоваться для идентификации видов, мониторинга состояния лесов и прогнозирования риска лесных пожаров.

6.3. Гражданская наука

Гражданская наука предполагает вовлечение общественности в научные исследования. Гражданские ученые могут собирать данные, анализировать изображения и сообщать о наблюдениях, внося вклад в крупномасштабные усилия по мониторингу лесов. Этот подход может увеличить объем собираемых данных и повысить осведомленность общественности о сохранении лесов.

Заключение

Лесные исследования необходимы для понимания сложной динамики лесных экосистем и для разработки эффективных стратегий устойчивого лесопользования и сохранения. Применяя сочетание традиционных полевых методов, технологий дистанционного зондирования и передовых статистических методов, исследователи могут предоставить ценную информацию, которая лежит в основе политики и практики. Поскольку леса сталкиваются с растущими угрозами из-за изменения климата, обезлесения и других факторов, важность надежных лесных исследований будет только расти.

Применяя междисциплинарные подходы и используя новые технологии, мы можем углубить наше понимание лесов и обеспечить их долгосрочное здоровье и устойчивость для будущих поколений. Постоянные инвестиции в лесные исследования имеют решающее значение для защиты этих жизненно важных экосистем и множества благ, которые они предоставляют.