Зачем считать насекомых в лесу?

Вредителей леса необходимо считать, когда их мало или рост численности только начинается, чтобы установить, насколько они опасны для леса. Главная цель учета – соотнести численность вредителя и количество хвои и листвы, доступное для него в лесу, т.е. информация для составления прогноза повреждения леса, который, в свою очередь, необходим для планирования работ по защите леса от вредителей.

Лес состоит из деревьев, поэтому наиболее естественной единицей учета насекомых является одно дерево. На целом дереве можно учесть гусениц, питающихся на нем, отложенные яйца или куколки, например коконы некоторых видов вредителей. Однако для подсчета количества вредителей на дереве его приходится срубить. Такое дерево называется модельным. Оно должно иметь средние для деревьев данной породы размеры в очаге вредителя. Чтобы при ударе кроны о землю все гусеницы или куколки не растерялись в траве и подстилке, модельное дерево валят кроной на полог. Как правило, для этого используют купол парашюта. Все листья (хвою), ветви и ствол сваленного дерева внимательно осматривают и посчитывают всех обнаруженных насекомых во всех фазах. По каждому виду вредителя и обнаруженной фазе его развития записывают число найденных здоровых и больных особей. У модельного дерева измеряют диаметр ствола на высоте 1,3 м от земли, диаметр ствола около первой снизу живой ветви и высоту дерева. Результаты подсчета и измерений заносят в специальную форму.

Для определения плотности вредителя необходимо учесть количество вредителей на многих деревьях. Иногда нужно иметь очень много единиц учета для получения достоверного результата. Каждый раз рубить для этой цели деревья неразумно.

Распространенным способом учета насекомых в кроне деревьев является их околот. Для этого выбирают модельное дерево со средним диаметром, но не более 28 см. Предварительно поверхность подстилки в проекции кроны модельного дерева очищают от подроста и подлеска. Под модельным деревом расстилают полог, как правило, это купол от небольшого парашюта. Полог должен покрывать или перекрывать проекцию кроны дерева. Из близлежащих деревьев вырубают колот – бревно, длиной 2–2,5 м и диаметром 20–24 см. Тон- кий конец колота устанавливают максимально близко к корневой шейке модельного дерева, между корневых лап. Поверхность ствола со стороны установки колота должна быть без сучков и по возможности ровной, без наплывов и бугров. Колотом производится первый резкий удар вдоль ствола модельного дерева. После минутной паузы следует серия сильных и резких ударов колотом вдоль ствола модельного дерева, которые вызывают существенное сотрясение ветвей в кроне. Наибольший эффект достигается, если удар развивается вдоль дерева, как разворачивается хлыст, с максимальной силой в самом верху колота. Для достижения этого эффекта колот лучше толкать в его нижней части, ближе к нижней трети его длины (рис. 96). Питающиеся в кроне гусеницы осыпаются на полог, где их подсчитывают. Результаты подсчета заносят в специальную форму.

Далеко не все деревья можно околотить и далеко не всех вредителей удобно таким образом учитывать. Например, молодых гусениц почти невозможно сколотить: если они и падают вниз, то их сносит с полога малейшим дуновением ветра. Многие виды гусениц просто повисают на собственной паутинообразной нити. Поэтому универсальным методом считается учет на модельных ветвях.

В этом случае единицей учета становится 100 г хвои или листвы. По этому методу в кроне дерева выбирают 1 или 3 модельные ветви. Одной ветви достаточно, если крона небольшая и можно уверенно выбрать именно среднюю ветвь по количеству хвои или листвы на ней. Если крона дерева по высоте превышает 3–5 м, то ее условно делят на 3 части (верхнюю, среднюю и нижнюю), чтобы количество хвои или листвы в трех частях было одинаковым. Из каждой 1/3 кроны отбирают модельную ветвь первого порядка, на которой необходимо тщательно просмотреть всю хвою или листву и поверхность ветвей. Наиболее надежно этот способ можно использовать для подсчета насекомых, прочно размещающихся на листве, хвое, тонких ветвях (таких, как яйца дубовой зеленой листовертки, яйца рыжего соснового пилильщика). С большой осторожностью можно считать и яйца сибирского (сосновного) шелкопряда. При условии сохранения насекомых на ветви до их подсчета этот метод может быть универсальным для всех видов хвое-листогрызущих насекомых. Однако это условие чрезвычайно трудно соблюдать. Основную проблему представляет выпиливание ветвей и изъятие их из кроны для осмотра и подсчета насекомых. Для добывания ветвей из кроны может применяться весь арсенал промышленного альпинизма и телескопических секаторов.

Во всех случаях учета насекомых в кроне подсчитанное число обнаруженных вредите- лей относят на 100 г абсолютно сухой хвои или листвы. Почему принята такая единица учета? Количество хвои или листвы можно измерять по-разному, но наиболее привычно взвешивать. Абсолютно сухой вес важен для соотнесения с кормовой нормой насекомого, количеством хвои или листвы, которое съедают гусеницы за все время своего развития. Эта величина выражается в граммах абсолютно сухого корма. Для сравнения сырого веса приходится учитывать степень его влажности, которая сильно изменяется во времени и природных условиях. В практике учетов вредителей взвешивание хвои/листвы не проводят, а ее количество определяют по диаметру ветви (рис. 97).

Для некоторых лесообразующих пород есть стандартные данные, основанные на дендрометрических исследованиях связи диаметра ствола или ветви с количеством хвои/листвы на этом стволе (ветви). Эти данные получены на основе большого количества экспериментальных измерений и теории связи диаметра ветви с массой хвои/листвы на ней. Так называемая «трубочная теория» сводится к простой гипотезе, что площадь сечения проводящих сосудов ствола или ветви тесно связана с количеством зеленой массы, которая вырастет на этом стволе (ветви). Для вычисления количества зеленой массы на ветви необходимо знать площадь сечения, или диаметр ветви первого порядка перед первым побегом, на котором есть листва или хвоя.

На основании этой гипотезы построены модели связи количества хвои/листвы по основным лесообразующим породам, которые можно использовать для практических целей. Имеющиеся данные позволяют рассчитывать массу хвои/листвы сосны, ели, дуба и березы. Более подробные данные о зеленой массе хвои/листвы основных лесообразующих пород по лесорастительным зонам России приведены в справочнике Методы мониторинга вредителей и болезней леса.

Наиболее удобным способом учета насекомых является раскопка пробных площадок в подстилке (рис. 98). Этим способом можно учесть тех вредителей, которые длительное время на определенных фазах проводят в почве. Это могут быть и гусеницы, и куколки, и даже взрослые насекомые. Для их учета руками перебирают всю подстилку и верхний слой почвы на определенной площадке. Форма площадки обычно прямоугольная, а ее размер считается оптимальным в зависимости от среднего размера учитываемых особей вредителя. Например, для основных видов хвое-листогрызущих вредителей рекомендуются следующие размеры:

Границу площадки можно обозначить любым удобным способом, например шнуром, натянутым между колышками, вбитыми по 4- м углам площадки. Техника просмотра подстилки и почвы может быть различной, однако удобнее для этого использовать отрезок плоского пластика или фанеры, на котором можно разложить горсть или две подстилки и почвы. Обнаруженных насекомых считают и записывают. Полученные количества соотносят с площадью пробной площадки. Критические количества численности большинства видов вредителей леса на 1 м2лесной подстилки приведены в монографии А. И. Ильинского.

Необходимое количество учетов зависит от изменчивости и требуемой достоверности результатов. Учет вредителей леса основан на законах математической статистики. Общее количество насекомых на некотором участке называется генеральной совокупностью. При этом участок может измеряться в единицах площади (м2) или деревьях, растущих на нем, или по массе хвои/листвы этих деревьев. Например, на площади 1 га (10 000 м2) произрастает 1 000 деревьев, на которых 10 т хвои или листвы, а все особи учитываемого нами вредителя живут на этом участке и составляют генеральную совокупность. Полностью подсчитать эту генеральную совокупность даже на таком небольшом участке, как 1 га, практически невозможно, да и не нужно, так как нас интересует соотношение числа особей на единицу учета (или площадь – м2, или дерево, или 100 г хвои/листвы). Имея некоторое число измерений – единиц учета (площадок в подстилке, деревьев, ветвей), которое в статистике принято называть выборочной совокупностью, или выборкой, мы с определенными допущениями можем вычислить среднее число особей вредителя на единицу учета. По среднему значению мы уже можем составить прогноз повреждения крон деревьев.

Важно понимать, что среднее значение, по- лученное по выборочной совокупности, в любом случае имеет некоторое отклонение от средней генеральной совокупности – ошибку средней, или погрешность. Ошибка выборочной средней тем больше, чем сильнее варьируют значения учета и чем меньше количество единиц учета – выборочная совокупность. В тех случаях, когда популяция вредителя находится на низком уровне численности или, на- против, очевидно ее массовое размножение, допустимой ошибкой принято считать ±20 %, или это же значение, но выраженное в долях единицы – 0,2. То есть, если мы получили выборочное среднее значение, равное 10, то среднее значение генеральной совокупности должно находиться в интервале 10±2, или от 8 до 12.

Другой важной характеристикой средней, полученной по выборочной совокупности, является вероятность ее совпадения со средним значением генеральной совокупности. Эта вероятность называется доверительным интервалом и означает, что выборочное среднее будет отклоняться от среднего генеральной совокупности в некотором числе случаев из 100. Минимальным порогом приемлемой вероятности принят доверительный интервал 0,68. При такой вероятности выборочное среднее значение совпадает со средним генеральной совокупности в 68 случаях из 100. Для более ответственных задач, например для принятия решения о применении инсектицидов, необходимо более достоверное значение выборочной средней. Для подобных задач доверительный интервал должен быть уже 0,9, т.е. выборочная средняя должна с допустимой ошибкой совпадать со средней генеральной совокупностью в 90 случаях из 100. Для большинства научных задач применяется доверительный интервал 0,95, а самые ответственные значения должны соответствовать среднему генеральной совокупности – теоретической средней – в интервале 0,99 и даже 0,999.

Уровни вероятности для доверительных интервалов принято определять расчетным критерием, который оценивает вероятность различия выборочной средней и средней генеральной совокупности. Этот критерий был предложен Уильямом Госсетом для оценки качества пива в компании Гиннесс и впервые опубликован в 1908 г. под псевдонимом Student. Поэтому этот критерий называется критерием Стьюдента. Критерий Стьюдента – это показатель достоверности разницы между средними значениями выборочной совокупности и генеральной совокупности особей вредителя. Значение этого коэффициента зависит от объема предварительной выборки и уровня необходимой вероятности. Этот критерий принято обозначать курсивом строчной буквой t. Табличное значение стандартного коэффициента t берут из таблицы в зависимости от степени свободы, которая, как правило, обозначается, как f, и для предварительной выборки равна количеству имеющихся учетных единиц минус единица. Например, наша предварительная выборка насчитывает 33 площадки в подстилке. Соответственно, степень свободы будет равна f = 33 – 1 = 32. Коэффициент Стьюдента для уровня вероятности 0,68 будет равен 1, а для уровня вероятности 0,9 – уже 1,6930.

Таким образом, наиболее важными свойствами выборочной средней являются допустимая ошибка и вероятность совпадения с генеральной средней. Обе характеристики выборочной средней являются ее заданными свойствами. Для большинства практических задач можно использовать следующее правило определения допустимой погрешности и вероятности выборочной средней:

И допустимая погрешность, и доверительный интервал вероятности выборочной средней необходимы для расчета объема выборки, достаточного для заданных условий и изменчивости результатов учета – выборочной совокупности. Расчет достаточного объема выборки основан на заданных значениях погрешности и доверительного интервала, а также на статистических характеристиках предварительной выборки. Объем предварительной выборки в некоторой степени зависит от вида вредителя и способа учета.

Опираясь на многолетний практический опыт учетных работ, Е. А. Якушкин рекомендует следующие объемы выборки для основных видов хвое-листогрызущих вредителей леса (табл. 4)

Приведенные рекомендации предполагают максимально возможное сокращение затрат труда, чтобы предварительная выборка была минимально достаточной, соответствовала необходимому уровню достоверности и не возникала необходимость в дополнительной выборке. Эта рекомендация ориентирует на достаточный объем выборки, проводимой в один прием. Проверять полученный результат на соответствие уровню погрешности и достоверности в любом случае необходимо. Возможность проведения учетных работ в один прием очень важна, так как доступные для учетов фазы развития насекомых и их нахождение в природе часто очень ограничены во времени. Например, для учета плотности рыжего соснового пилильщика очень удобно считать его яйца на хвоинках. Но он их откладывает довольно долго, в степной зоне – до конца сентября, а решение о применении пестицидов необходимо принимать до середины ноября. Времени на работу в лесу остается не так много, так как в это время года возможна и непогода. В этой ситуации, как правило, нет возможности проводить учеты в 2 приема. В тех случаях, когда нет очевидной необходимости планировать на следующий год применение пестицидов, лучше использовать предварительную выборку малого объема – около 30 единиц.

По показателям предварительной выборки рассчитывается необходимый объем учетов по следующей формуле:

Расчет средней арифметической предварительной выборки (X) осуществляется по формуле:

Дисперсию (меру разброса случайной величины) предварительной выборки можно рассчитывать по формуле:

Необходимым условием обеспечения достоверности учетов является соблюдение определенных принципов расположения единиц учета в пространстве. Законы математической статистики, основанные на теории вероятности, распространяются только на случайные явления природы, представляя получаемые измерения (в нашем случае количество особей вредителя), как последовательность случайных чисел.

Случайные числа, это числа, порождаемые случайным процессом, который генерирует ряд чисел, и в каждом последующем числе цифры от 0 до 9 появляются с одинаковой вероятностью для каждого из этих десяти чисел (0, 1, 2, 3, …. 9). В практических целях используют разные генераторы случайных чисел для заданного диапазона и количества. Планирование предварительной выборки для обеспечения соответствия случайному явлению должно основываться именно на случайных числах. Конкретные приемы планирования на основе случайных чисел очень разнообразны. В самом простом случае лесной участок, в ко- тором планируется провести учет разделяют на квадраты таким образом, чтобы их количество явно превышало возможный объем выборки: например, 100 или 1 000 и т.д. Каждый квадрат нумеруют за вычетом квадратов, полностью попадающих на выделы, расположенные внутри очага, но непригодные для развития вредителя (поляны, воды, выделы с несъедобными для питания вредителя породами в составе древостоя). Затем с помощью генератора определяют ряд случайных чисел, которые принимаются за номера квадратов. В этих квадратах и планируются единицы учета вредителя. Результаты учетов, проведенных по этим квадратам, составляют предварительную выборку. Возможность планирования случайной выборки есть в числе инструментов ГИС- анализа, в большинстве программных продуктов ГИС. Для использования этой возможности необходимо иметь векторные границы очага и установить объем предварительной выборки. Программа самостоятельно размещает необходимое количество случайных точек внутри контура очага.

Для определения необходимого объема выборки при заданной точности средней по предварительной выборке вычисляют среднюю арифметическую, среднее квадратичное отклонение, коэффициент вариации и, наконец, общее число единиц учета, обеспечивающее выбранную точность. Как правило, требуется дополнительное количество единиц учета. Необходимый объем выборки растет в геометрической прогрессии относительно линейного сокращения ошибки. При планировании необходимого объема выборки для достижения выбранной точности дополнительные единицы учета необходимо располагать по такой же схеме, с использованием распре- деления площади очага вредителя на условные квадраты или средств ГИС.

Сроки проведения учетов видоспецифичны и сильно зависят от фенологического развития популяций вредителей. Достаточно полные сведения о каждом опасном виде вредителя приведены в монографии А. И. Ильинского.