Height-diameter relationships and stem volume equations in young and middle-aged forest stands of Ukraine

Abstract

Height-diameter (h-d) relationships in forest stands are commonly used in various scientific and practical forestry applications. Accurate h-d models combined with tree stem volume equations are recognised to be effective in growing stock volume estimation. The purpose of the study was threefold: 1) development of a set of mathematical models of the h-d relationship in young and middle-aged forest stands for ten forest-forming species in Ukraine; 2) modelling stem volume in above mentioned forest stands; 3) comparison of established mathematical models with corresponding ones for premature, mature, and overmature forest stands. The study was based on permanent and temporal sample plots data (about 600) established in forest stands during 1950s-2020s within the most forested regions of Ukraine (Polissia, Forest-Steppe, Carpathians). In total, about 10,000 sample trees were measured on the sample plots to accurately estimate their stem volume outside bark. The h-d models demonstrated very similar relationships between stem heights and diameters for most of our species except for spruce and fir in mountain Carpathian forests where the steeper h-d curves were obtained. The study revealed that birch and hornbeam tree stems had the lowest volumes among surveyed species. The results also indicated that tree species tend to have higher volumes (up to 7% for coniferous, and up 10% for aspen and birch forests) in young and middle-aged forest sands than in older ones. For the other species, a statistically significant difference between stem volumes of trees of different ages was not observed. The developed mathematical models can complement the corresponding models for older groups of forest stands since they revealed an important aspect of relationships between the key tree stem parameters. These models are also applicable for a more precise stem volume estimation during thinning operations in the young and middle-aged forests in Ukraine.

Alternate abstract:

Співвідношення висот і діаметрів дерев (h-d) у лісових насадженнях зазвичай використовується в різних наукових і практичних задачах лісового господарства. При цьому точні моделі h-d у поєднанні з рівняннями об'єму стовбурів дерев ефективні в оцінці об'єму запасів. Мета роботи полягає в 1) розробці системи математичних моделей співвідношення висот і діаметрів у молодняках і середньовікових деревостанах для десяти лісоутворювальних видів Україні; 2) моделюванні об'єму стовбурів у зазначених категоріях лісових насаджень; 3) порівнянні виявлених залежностей із аналогічними даними для пристигаючих, стиглих і перестійних деревостанів. Дослідження ґрунтувалося на даних постійних і тимчасових пробних площ (близько 600), закладених у лісових насадженнях протягом 1950–2020-х років у найбільш лісистих регіонах України (Полісся, Лісостеп, Карпати). З метою точної оцінки об'єму стовбурів у корі на пробних площах було обміряно близько 10 тис. модельних дерев. Моделі співвідношення h-d були підібрані з використанням відносних значень висоти дерев та абсолютних значень діаметра, які продемонстрували дуже схоже співвідношення між висотою та діаметром дерев для більшості деревних видів, за винятком ялини та ялиці в гірських лісах Карпат, де були отримані більш круті криві висот. Встановлено, що стовбури берези та граба мають найменший об'єм серед досліджуваних деревних видів. Результати досліджень також засвідчили, що стовбури дерев, як правило, мають більший об'єм (до 7% для хвойних і до 10% для осики та берези) у молодняках і середньовікових лісових насадженнях, ніж у деревостанах старшого віку. Для інших деревних видів автори не виявили статистично значущої різниці між об'ємами стовбурів дерев різного віку. Розроблені математичні моделі можуть доповнювати відповідні моделі для старших груп лісових насаджень, оскільки вони розкрили важливий аспект взаємозв'язків між ключовими таксаційними показниками стовбурів дерев. Вони також можуть застосовуватися для точнішої оцінки об'єму стовбурів дерев під час рубок догляду в молодняках та середньовікових насадженнях України з практичної точки зору.