Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние техногенного загрязнения на состояние сосновых лесонасаждений Кольского Севера

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние техногенного загрязнения на состояние сосновых лесонасаждений Кольского Севера"

пб ОД

ИНСТИТУТ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА И ЭКОЛОГИИ ФЕДЕРАЛЬНОЙ СЛУЖБЫ РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК-

На правах рукописи

ГИТАРСКИЙ МИХАИЛ ЛЕОНИДОВИЧ

УДК 504.064.36+504.3.054+504.53+504.73

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СОСТОЯНИЕ СОСНОВЫХ ЛЕСОНАСАЖДЕНИЙ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА.

03.00.16. - Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в Институте глобального климата и экологии Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Российской академии наук.

Научный руководитель: кандидат сельскохозяйственных наук

Р.Т. Карабань

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

B. В. Никонов

доктор физико-математических наук

C.М. Семенов

Ведущая организация - Институт леса Академии наук

республики Беларусь

- / /

Защита состоится ИОЙЬ/ОЛ 1993г. в У' час.

на заседании Специализированного совета К. 003.36.01 по специальности 03.00.16 - "Экология" в Институте глобального климата и экологии по адресу: 107258, Москва, ул. Глебовская, д. 20-Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института глобального климата и экологии по адресу: 107258, Москва, ул. Глебовская, д. 20-Б. > ■ ■ .

Ваш отзыв в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 107258. Москва, ул. Глебовская, д. 20-Б.

Спецсовет ИГКЭ.

Автореферат разослан " ^ " 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат геолого-минералогических наук Т. Г. Орлова

Актуальность проблемы. Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу промышленными предприятиями, в первую очередь оказывают негативное воздействие на наиболее чувствительные экосистемы, какими являются леса, особенно хвойные. По некоторым оценкам, на территории Мурманской области под влиянием аэротехногенного загрязнения оказалось около 400 тыс. га лесной площади, из которой 12-15 тыс.га леса полностью погибли. В значительной степени повреждено и обречено на гибель более 90 тыс. га. Очаги повреждений имеют тенденции к расширению (Методические рекомендации .... 1990). Расположение .в экстремальных природно-климатических условиях произрастания и достаточно ограниченный видовой состав лесных экосистем Севера обусловливают их низкую толерантность и большую восприимчивость к естественным и антропогенным воздействиям (Крючков,1984; Monitor,

1989; Методические рекомендации____ 1990 и др.). Высказываются

также предположения о пониженной резистентности видов, произрастающих на естественной границе своего ареала (Илькун.1978). Поэтому исследование состояния лесных экосистем Кольского полуострова, испытывающих хроническое воздействие пыле-газовых выбросов предприятий цветной металлургии, представляется актуальной задачей.

Цели и задачи исследований. Цели диссертационной работы заключались в изучении ответных реакций лесных экосистем на разные уровни загрязнения окружающей среды и в выработке стратегии природоохранных мероприятий в лесах, произрастающих в условиях хронического воздействия выбросов горно-металлургического комбината (ГМК) "Пе-ченганикель". Достижение поставленных целей предполагает, решение следующих задач: "

- определить уровни загрязнения природных сред (атмосферного воздуха, осадков, почв) и растительности;

- определить состояние сосновых лесонасаждений, произрастающих в этом регионе;

- г -

- выделить на основе данных о загрязнении природных сред и состоянии растительности зоны разной степени повреждения лесных экосистем;

- выбрать наиболее информативные показатели, характеризующие состояние сосновых древостоев;

- разработать и обосновать критерии нормирования антропогенных нагрузок на лесные экосистемы Кольского Севера на импактном уровне;

- составить прогноз динамики техногенной трансформации лесов района в зависимости от изменений выбросов загрязняющих веществ;

- разработать рекомендации по ведению лесного хозяйства в условиях загрязнения лесов пыле-газовыми выбросами ГМК "Печенганикель"

Научная новизна и практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что впервые для высокочувствительных лесных экосистем Северо-запада России, расположенных в условиях импактного воздействия промышленных выбросов, предложена методика определения критических нагрузок приоритетных фитотоксикантов и рассчитаны их значения. Получены при помощи методов биоиндикации легкоопределяемые показатели состояния насаждений, которые можно принять за интегральные. Практическое их использование может существенно облегчить диагностику ранних стадий повреждений лесных экосистем. Выработанные на основе результатов исследований прогностические подходы к изучению процессов техногенных трансформаций лесных биогеоценозов представляют большой интерес для специалистов лесного хозяйства. Комплексная оценка загрязнения природных сред и состояния растительности, благодаря которой были получены перечисленные выше результаты, в районе исследований также была проведена впервые.

Предметом зашиты являются следующие положения:

- методы оценки состояния сосновых лесонасаждений:

- выбор оптимальных по информативности показателей состояния древостоев:

- значения допустимых нагрузок на техногенно трансформированные лесные экосистемы Кольского Севера и методы их определения;

- концептуальные подходы к прогнозированию возможных изменений в лесах при воздействии на них промышленных выбросов;

- рекомендации по ведению лесного хозяйства в условиях промышленного загрязнения.

Апробация. Работа выполнялась в рамках тем НИР и ОКР Росгидромета, которые велись Институтом прикладной геофизики им. академика Федорова Е.К. (тема У.31.б^. 1). а затем Институтом глобального климата и экологии (тема IV.4.11). в период с 1989 по 1992 гг. включительно. Результаты исследований были представлены в соответствующих отчетах и направлены в Росгидромет. Материалы работы были доложены на 2 всесоюзных и 1 мендународной конференциях.

Личный вклад. Автором работы осуществлены сбор экспериментального материала и подготовка его к анализам. Произведены математическая обработка и обобщение результатов анализов проб почв, растительности, осадков, выпадений, и измеренных в ходе полевых исследований параметров состояния древостоев. Рассчитаны и построены карты-схемы полей концентраций загрязняющих веществ в приземном слое воздуха и выпадений загрязнителей на подстилающую поверхность, а также выделены зоны разной степени повреждения растительности. Сделаны соотвествующие вывода и разработаны рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем - 135 страниц, включая 13 рисунков, 11 таблиц и 14 страниц приложений. При написании диссертации было исполь-

зовано 157 литературных источников, из которых 42 иностранных.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОБЛЕМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ЛЕСНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ.

Изучение воздействия загрязнителей воздуха на растительность ведется по следующим методическим направлениям: проведение исследований в контролируемых условиях среды, опыты в фумигационных камерах, расположенных в естественных условиях, и работы на открытых участках вблизи источников выбросов (Гудериан,1979). Результаты экспериментов позволили разработать значения предельно-допустимых и максимально-разовых концентраций фитотоксикаитов в приземном слое атмосферного воздуха (Николаевский, 1979; Wentzel.1983; Временные нормативы допустимых концентраций .... 1984 и др.)

При техногенном повреждении растительных экосистем может серьезно усиливаться дестабилизирующая роль абиотических факторов природной среды (Houston,1987; Krauze,Prinz.1989; Tzshacksch. 1987 и др.). Однако промышленное загрязнение является все-таки определяющим в крупно-масштабном повреждении лесов (Fuhrer.1985; Houston, 1987; Winner. Atkinson.1986 и др.).

В составе выбросов горно-металлургических предприятий кольского полуострова преобладают диоксид серы и аэрозоли тяжелых металлов - меди и никеля;

У растений, поврежденных диоксидом серы, наблюдаются ингибиро-вание фотосинтеза и дыхания, нарушения физиологических, метаболических и других процессов (Zelgler,1975; Кунина с соавт..1979; Сер-гейчик. 1984; Загрязнение воздуха и жизнь растений. 1988; Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. 1990; Луганский, Калинин.

1990 И др.).

Механизм воздействия тяжелых металлов на растительность до конца не изучен. Есть сведения об угнетении некоторых видов растений при высоком содержании металлов в почве (Foy et al. 1978: Кабата-Пендиас. Пендиас.1989; Ильин. 1991 и др.). а также о нарушениях, микробиологической активности и обменных процессов в почвах, загрязненных тяжелыми металлами (Евдокимова. 1982; Catazaro, Hutchinson,' 1985; Влияние атмосферного загрязнения на свойства почв. 1990 и др.).

Ответная реакция растений на загрязнение природных сред выражается в хорошо диагностируемых внешних признаках (Болтнева с со-авт.,1982; Мэннинг. Федер.1985; Влияние промышленного атмосферного загрязнения ...,1990 и др.). которые, в.комплексе с биометрическими характеристиками древостоев и параметрами их биологической продуктивности. легли в основу различных шкал и индексов оценки состояния лесонасаждений (Санитарные правила .... 1970; Forest Damage and Air Pollution.1988; Мозолевская. 1988; Мозолевская, Шарапа, 1992; Лукина, Никонов.1993 и др.).

' Изучение хронического воздействия загрязнения воздуха на лесные экосистемы в настоящее время производится при помощи критических нагрузок (Options. 1989; Henrlksen et ai.. 1990; Nllsson et al.,

1991 и др.). Предлагаются методы расчетов и значения допустимых выпадений по сере, азоту и другим соединениям (Anlansson.1988; Henrlksen et al.. 1990; Mapping Critical Loads for Europe.1991 и др.). Определенного подхода к нормированию выпадений тяжелых металлов в настоящее время не выработано. .

Региональные особенности лесных экосистем Кольского Севера требуют разработки специальных мероприятий по их защите и восстановлению (Крючков,1981; Цветков. 1983; Цветков с соавт.,1984 и др.).

2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РАБОТ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ* Исследования проводились в Печенгском районе Мурманской области, расположенном на северо-западе Кольского полуострова. Большая часть территории района входит в зону предтундровых лесов (Пред-тундровые леса,1987). Лесная площадь составляет 48.6 Я от общей площади, средневзвешенный породный состав 5С1Е4Б. Средний бонитет сосняков - Уа, березняков - Уа, 5, средняя полнота как лиственных, так и хвойных древостоев - 0.42 (Классификационные типологические схемы лесов ....1979). Результаты изучения морфологии почв, северной части Печенгского района свидетельствуют о преобладании здесь АЬ-Ре-гумусового почвообразования (Никонов. Переверзев,1972).

Комбинат "Печенганикель" концерна "Норильский никель" является одним из крупнейших предприятий отрасли. Источники токсичных для растений выбросов загрязняющих веществ сконцентрированы на территории двух промышленных площадок - вблизи городов Никель и Заполярный. Суммарные выбросы в атмосферу по комбинату в 1989 г. составили 287 тыс. тонн диоксида серы и 8.1 тыс. тонн медно-никелевой пыли.

В качестве объектов исследований были выбраны сосновые и березовые древостой, в изучаемом регионе имеющие большую экономическую, природоохранную и климатозащитную значимость. По разным направлениям от источников выбросов, расположенных вблизи гг. Никель и Заполярный, было заложено 25 пробных площадей (рис. 2). Их закладка производилась в одновозрастных насаждениях на однородных по почвен-но-климатическим, лесорастительным и орографическим условиям участках. Наряду с характеристикой повреждения древесного и травяно-кус-

'при подготовке главы были использованы материалы, предоставленные Отделом охраны окружающей среды ГМК "Печенганикель".

тарничкового ярусов, на пробных площадях выбирались модельные деревья сосны, на которых определяли биометрические показатели: сохранность хвои на главном и боковых побегах, линейные приросты главного побега за последние 3 года, количество живых и мертвых мутовок; у некоторых деревьев сосны старших возрастов производился анализ хода радиального прироста древесины стволов. На пробных площадях выполнялся отбор проб ассимиляционных органов деревьев (сосна. береза) и кустарничков (брусника, черника, вороника), для их последующего химического анализа. Произвели сбор дождевых осадков й сухих атмосферных выпадений, а на некоторых площадях также брали образцы почв. (Санитарные правила .... 1970; Временные методические указания ____ 1987; Карабань с соавт., 1988).

Подготовка проб, их анализ выполнялись в Институте глобального климата и экологии и в Почвенном институте им. В.В.Докучаева. Обработка материалов производилась на персональном компьютере с использованием пакета программ 81а1нгарМсз.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА УРОВНЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ.

РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ПОЧВ ИССЛЕДУЕМОГО РЕГИОНА.

Загрязнение атмосферного воздуха оценивалось по специально разработанной математической модели (Комплекс РСК.1989), основанной на решении уравнения турбулентной диффузии (Берлянд, 1975; Берлянд с соавт.,1984). Концентрации диоксида серы и аэрозолей тяжелых металлов вычислялись с учетом рельефа, данных о выбросах и среднемного-летних метеоданных (ОНД-86,1987; Справочник по климату. 1966)..

Наибольшее загрязнение дождевой воды, собранной, на открытом пространстве, наблюдается на удалении 6-8 км, затем концентрации поллютантов постепенно снижаются до фоновых уровней (на расстоянии 20-30 км от источников выбросов). Резкого убывания концентраций

сульфатов, никеля и меди в пробах осадков, собранных под кронами сосен и в стоках со стволов не обнаружено; после 30 км их концентрации в воде остаются постоянными. Значения рН дождевой- воды, собранной на открытых пространствах, изменялись от 4.1-4.2 до 4.9-5.1. Четкой зависимости величины рН от расстояния от источников выбросов не наблюдалось.

Интенсивность потока сухих выпадений на планшеты является интегральной характеристикой загрязнения воздуха: сбор аэрозолей происходит непрерывно и при разнообразных условиях рассеяния факела, характерных для данной местности. В окрестностях комбината "Печен-ганикель" сбор выпадений производился на фильтроткань Петрянова (Спурный с соавт.. 1964). Наиболее высокие значения выпадений серы и никеля характерны для ближней к предприятиям зоны. С удалением их значения убывают, уменьшаясь на расстоянии 30-35 км более чем на • порядок. Фильтроткань не лучшим образом имитирует свойства подстилающей поверхности, поэтому этот метод исследований не следует считать определяющим при изучении воздействия на растительность, что, однако, не снижает его важности для получения информации о характере и свойствах поступающих в экосистемы загрязняющих веществ.

Растительные пробы, отобранные в окрестностях ГМК "Печенгани-кель", анализировались на содержание 11 макро- и микроэлементов. Сводные таблицы по содержанию ряда химических элементов в ассимиляционных органах Деревьев и кустарничков приведены в приложении к диссертации. На рис. 1 представлены результаты анализов содержания серы и никеля в листьях березы (ВеШа гр.), черники (V. тугИНиг I.) и брусники (V. мш-шеа I.). Накопление серы и никеля в дре-весноЛ и кустарничковой растительности с увеличением расстояния от источников выбросов убывает (рис.1). Такая зависимость особенно

мг/кг

. 80 60

40

20

«г/кг

50 40

30

20

10

мг/кг

30 20 10

0

Рис.

10 20 30 40

км

V. пугЪШиз Ь.

а)

10 20

.........км

30 40

V. Мао а X.,

г/кг

А)

2.7

2.4 2.1

1.8

1.5

10 20 30

б)

1.111

Т' 1 1 ' 1

ю- 20 30 40 104 0 ю 20 30 40

I. Содержание никеля (а) и серы (б) в листьях березы, черники и брусники, собранных на разном удалении от источников выбросов.

км

четко проявляется для березы и черники, то есть у листопадных растений. менее заметно - у вечнозеленых (сосны, брусники и вороники). Хвоя сосны разных возрастов неодинаково накапливает загрязняющие вещества. Больше всего серы и никеля содержится в хвое текущего года. Самые высокие значения концентраций никеля и серы в надземных органах растений характерны для ближней зоны воздействия предприятий (расстояние 10-15 км от источников выбросов), где лесные экосистемы находятся в стадии сильной деградации. Сходные закономерности в накоплении этих веществ ассимиляционными органами деревьев и кустарничков установлены и для других районов Кольского полуострова (Карабань,Руднева. 1988; Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. 1990; Влияние промышленного атмосферного загрязнения .... 1990 и др.).

Значения кислотности почв изменяются в диапазоне от 3.9 до 4.8 •для слоя глубиной 0-5 см и от 4.3 до 5.2 для глубины 5-10 см. В ближней к предприятиям зоне наблюдается некоторое повышение рН верхнего слоя почв. Это может быть связано с нейтрализующим действием содержащей щелочные металлы аэрозольной фракции выбросов. Накопление тяжелых металлов и сульфатов в почвенных образцах увеличивается по мере приближения к источникам выбросов. Содержание сульфатов, никеля и меди в слое почв глубиной 0-5 см выше, чем в нижнем. Подобные закономерности отмечались.и ранее на аналогичных объектах (Карабань,'Руднева, 1988).

Пробы съедобных грибов подосиновиков (Ьесс1пт вр.) и ягод черники (V. тутЫНиБ I.) отбирались на некоторых пробных площадях параллельно с пробами вегетативных органов деревьев и кустарничков. Содержание серы в плодовых телах подосиновиков выше, чем в древесных растениях. У грибов не существует четкой зависимости накопления

этого элемента от расстояния от источников выбросов. Никель грибы на единицу сухой массы накапливают меньше других видов. В ягодах черники рассматриваемые вещества накапливаются в меньших количествах, по сравнению с листьями. Сходные результаты были получены при изучении поступления загрязняющих веществ в генеративные органы сельскохозяйственных растений (Ильин, Степанова,1980; Ильин,1991).

Наибольшие уровни загрязнения никелем грибов и ягод наблюдаются в пробах из примыкающих к предприятиям древостоев, поэтому целесообразно ограничить сбор и заготовку этих продуктов в лесах ближней к источникам выбросов зоны.

4. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ В ОКРЕСТНОСТЯХ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА "ПЕЧЕНГАНИКЕЛЬ".

Результаты обследования пробных площадей показали, что визуально диагностируемые признаки повреждения ассимиляционных органов растений диоксидом серы наблюдаются на расстоянии до 30 км от источников выбросов. Повреждаются не только древесные растения I яруса, но также и виды, составляющие подлесок и напочвенный растительный покров. В ближней к предприятиям зоне сильные ожоги зафиксированы на листьях черники, голубики, и карликовой березы. В насаждениях, расположенных в условиях значительного промышленного загрязнения. характерен большой процент сильно ослабленных, усыхающих и сухостойных деревьев. Ускорение отпада биомассы и нарушение процессов деструкции мертвого органического вещества, обусловленные техногенным воздействием, приводят к накоплению неразложившихся растительных остатков в подстилке. Этот факт, в совокупности с повышенной рекреационной нагрузкой, делает ослабленные лесные биогеоценозы уязвимыми к действию других антропогенных факторов, в частности, пожаров. На территории гарей, в отсутствие нормального естественно-

го возобновления, активно протекают процессы эрозии и смыва плодородных слоев почв, что, в конечном счете, приводит к образованию оврагов.

Моделирование загрязнения атмосферного воздуха, результаты визуального обследования пробных площадей, а также анализ изменений измеренных на них показателей состояния сосновых древостоев, позволили установить границу возможного воздействия комбината "Печенга-никель" на прилегающие к нему лесонасаждения и выделить зоны их полного, сильного, среднего и слабого поражения. Ключи к .выделению зон. выработанные на основе экспериментального и теоретического материала (Болтнева с соавт.,1982; Цветков с соавт., 1984) и усовершенствованные в ходе экспедиционных исследований в сфере влияния однотипных по характеру воздействия объектов, расположенных в различных климатических зонах (Карабань с соавт..1988). в автореферате •не обсуждаются, а подробно изложены в диссертационной работе. На рис. 2 представлена схема расположения зон разной степени поражения растительности в окрестностях комбината "Печенганикель". В действительности зоны поражения, как правило, не имеют резких границ. переход от зоны к зоне плавный, целостность зон может нарушаться. Значения концентраций основных загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха для каждой зоны поражения растительности, а также размеры площадей выделенных зон приводятся в таблице 1. Расчеты произведены отдельно для вегетационного, весеннего, осеннего и зимнего периодов, продолжительность которых соответственно равна 3, 2, 2 и 5 месяцев. Полученные отдельно для каждой пробной площади значения концентраций диоксида серы и аэрозолей тяжелых металлов в приземном слое атмосферного воздуха осред-нялись в пределах зон разной степени повременил лесных экосистем.

НОРВЕГИЯ

/

У*

/ {

I

/ .15

ириречный

О 5 10 15

- пробная площадь

- зона полного поражения

- зона сильного поражения

- зона среднего поражения

- зона слабого поражения

Рис. 2. Расположение зон разной степени поручения растительности в окрестностях комбината "Леченганикель"'.

Таблица 1.

Концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха, вычисленные для зон разной степени повреждения растительности.-

Зона поражения растительности Площади зон поражения, 2 КМ Концентрации загрязняющих веществ по периодам осреднения, мг/м куб.

Вегетационный Зимний Весенний Осенний

Аэрозоли металлов Диоксид серы Аэрозоли металлов Диоксид серы Аэрозоли металлов Диоксид серы Аэрозоли металлов Диоксид серы

Полное 44.5 >0.150.

Сильное 297.4 0.004 0.082 0.004 0.092 0.004 0.085' 0.004 0.094

Среднее 1263.2 0.002 0.046 0.002 0.046 0.002 0.047 0.002 0.047

Слабое 1364.О 0.001 0.018 0.001 0.025 0.001 0.021 0.001 0.024

Условно фоновый район 0.0007 0.013 0.0002 0.004 0.0005 0.009 0.0003 0.005

Уровни загрязнения воздуха диоксидом серы, близкие к 20 мкг/м куб. (0.02 мг/м куб.), рассматриваются как граничные при идентификации повреждений растительных организмов и соответствуют зоне слабого поражения растительности (Николаевский. 1979; ИеШге!, 1983; Временные нормативы предельно допустимых концентраций ...,1984). Таким образом можно сказать, что зона слабого поражения является как-бы переходной от условий нормальной жизнедеятельности растительных экосистем к условиям, при которых последние испытывают пресс техногенного воздействия. По мере приближения к источникам выбросов интенсивность воздействия возрастает, достигая максимума в зоне полного поражения, которая характеризуется наибольшим угнетением или гибелью как отдельных компонентов, так и экосистем в целом (рис. 2. табл. 1).

Одной из особенностей произрастающей на Кольском полуострове сосны является свойство ее хвои сохранять в средней и нижней части кроны свою функциональную способность в течение 6-7 лет и более (Влияние промышленного атмосферного загрязнения.... 1990; Цветков, Семенов,1985). На рис. 3 приводятся средние по зонам поражения растительности значения возраста хвои на главном и боковых побегах. Как следует из рисунка, указанное выше свойство в полной мере проявляется только в условно-фоновом районе. Достаточной информативностью обладают и показатели, характеризующие жизненное состояние крон деревьев, к которым можно отнести количество мертвых и живых мутовок. В критических условиях произрастания деревьев достаточно велика естественная вариация их линейного прироста, поэтому выделить антропогенную составляющую из совокупности воздействующих на растения лимитирующих факторов не представилось возможным.

В таблице 2 приведены измеренные по десятилетиям значения радиального прироста деревьев сосны за последние 40 лет, в зонах раз-

Года

4 -

2 -

б)

6 9 4 3 2 • I -

сильное среднее слабое условный фон

Зоны поражения растительности

Рис. 3. Возраст хвои на главной (а) и боковых (б) побегах сосен в зонах разной степени поражения растительности.

3

I

- 17 -

ной степени повреждения растительности.

Таблица 2.

Значения радиального прироста деревьев сосны на территории зон разной степени повреждения растительности.

Зона поражения растительности Значения радиального прироста по десятилетиям, мм

1952-1961 1962-1971 1972-1981 1982-1991

Сильное 5.9 ± 0.4 3.5+0.3 2.6 + 0.3 1.4 + 0.2

Среднее 5.3 ± 1.3 4.9 + 0.9 4.2 + 0.8 2.3 + 0.6

Слабое 14.5+8.2 7.9 + 4.9 7.6 + 3.5 5.9 + 0.8

Из табл. 2 видно, что на Фоне естественного (возрастного) уменьшения прироста деревьев прослеживается процесс ухудшения их хода роста в ближней к предприятиям зоне (зона сильного поражения). Несколько лучше выглядят более удаленные древостой (зона среднего поражения), хотя их прирост также существенно ниже, чем в зоне слабого поражения.

В условиях комплексного загрязнения природной среды большой интерес представляет определение приоритетных по степени воздействия фитотоксикантов. Отслеживание ответных реакций растительных экосистем на техногенное загрязнение позволяет выделить наиболее информативные показатели состояния лесных биогеоценозов. Для решения этих задач при помощи корреляционного анализа была исследована связь измеренных показателей состояния сосновых древостоев с параметрами, определяющими уровень загрязнения окружающей среды. Значе- . ния . полученных коэффициентов корреляции позволяют считать диоксид серы приоритетным фитотоксичным загрязняющим веществом из состава выбросов комбината "Леченганикель". Хорошая связь прослеживается

между изменением биометрических показателей и степенью загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, однако значения коэффициентов корреляции ниже (по абсолютной величине), чем для диоксида серы. С точки зрения информативной емкости представленных показателей, самыми действенными оказались значения возраста хвои на главном и боковом побегах. Эти показатели легко определяются и, поэтому, могут быть рекомендованы к практическому использованию при крупномасштабных и экспертных оценках состояния хвойных лесов, произрастающих в условиях промышленного загрязнения.

5. НОРМИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ НАГРУЗОК НА ЛЕСНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА.

Последствия продолжительного (хронического) воздействия фито-токсикантов на растения измеряются при помощи критических нагрузок. Эти понятия являются более интегрированными характеристиками антропогенного воздействия на лесные экосистемы, поскольку включают в себя и количественную оценку уровней загрязнения биоты. и фактор условий местопроизрастания сообществ, и, наконец, их ответные реакции на воздействие. Расчет значений критических нагрузок основан на решении уравнений ионного баланса в почве (Henrlksen et al.,1990; ССЕ Technical Report, 1991). Однако результаты исследований в окрестностях действующих на территории Кольского полуострова предприятий, позволяют сделать вывод о приоритетном негативном влиянии газообразного диоксида серы на расположенные вблизи источников выбросов лесонасаждения (Болтнева с соавт., 1982; Карабань с соавт.. 1988; Влияние промышленного атмосферного загрязнения .... 1990 и др.). Поэтому в зонах импактного воздействия промышленных выбросов расчет критических нагрузок приоритетных загрязняющих веществ рекомендуется производить исходя из их прямого воздействия на расти-

тельные экосистемы, то есть, на основе данных об уровнях загрязнения атмосферного воздуха и процессах сухого осаждения загрязнителей на подстилающую поверхность. Добавим, что сухое осаждение серы является основным источником поступления этого вещества на подстилающую поверхность для большинства регионов Европы и Скандинавии (Garland.1977; Garland, Branson. 1977; Рябошапко.1991).

Выпадения серы на подстилающую поверхность рассчитывали по формуле, предложенной в работах Старо и Шопаускаса (1980) и Василенко (Василенко с соавт.. 1985):

F = V • С • t. где ( 1 )

F - значение выпадений вещества на подстилающую поверхность за

рассматриваемый промежуток времени, г/м кв. V - скорость выведения вещества из атмосферы, см/с С - концентрация вещества в приземном слое воздуха, мг/м куб. t - показатель.' учитывающий период времени, за который производится расчет.

Для выбора скорости сухого осаждения серы за зимний период использовали данные снегомерной съемки, выполненной в окрестностях ГМК "Печенганикель" (Василенко с соавт.. 1985). Скорости выведения серы из атмосферы для вегетационного, весеннего и осеннего периодов взяли из литературных источников (Garland,1977: Garland, Branson. 1977; Мс Mahon. Denlson, 1979)".- Подставив полученные значения скоростей сухого осаждения диоксида серы в формулу 1, получили значения выпадений серы за вегетационный, зимний, весенний и осенний периоды. Вычисления производились для каждой пробной площади с учетом преобладающих пород, а затем суммировались за год и осреднялись в пределах зон повреждения растительности (табл. 4).

Таблица 4. '

Значения годовых выпадений серы на подстилающую поверхность на территории зон разной степени поражения растительности.

Зона поражения растительности Значения выпадений, г/м кв. в год

Хвойные 1 Лиственные

Сильное 4.34 5.54

Среднее 1.47 2.90

Слабое 0.97 1.47

Условно фоновый район 0.32 0.68

За критическую нагрузку по сере в условиях комплексного газопылевого загрязнения были приняты округленные значения выпадений, вычисленных для зоны слабого поражения растительности равные 1.0 г/м кв в год для хвойных и 1.5 г/м кв в год для лиственных фитоце-нозов соответственно.

6. КОНЦЕПЦИИ ОРГАНИЗАЦИИ И ВЕДЕНИЯ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА В ТЕХНОГЕННО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗАХ.

Определяющим динамику техногенных трансформаций лесных экосистем является загрязнение атмосферного воздуха, поэтому назначений лесохозяйственных мероприятий 'должно производиться исходя из возможных последствий изменений уровней загрязнения воздуха выбросами предприятий.

Для комбината "Печенганикель" были предложены долгосрЪчные прогнозы изменений состояния зон повреждения лесных экосистем, . основанные на 2-х сценариях динамики выбросов диоксида серы. По первому сценарию • объем выбросов этого соединения принимался постоянным. Анализ расчетов полей концентраций этого соединения в приземном слое атмосферного воздуха позволяет предположить, что размеры

зон поражения растительности в целом изменятся незначительно.

По второму сценарию предполагается снижение выбросов диоксида серы на территории промплощадки Никель. Выполненные по этому сценарию расчеты указывают на уменьшение территории потенциального негативного воздействия фитотоксиканта." Поэтому можно ожидать уменьшения площадей зон сильного, среднего и слабого поражения.

Назначение лесохозяйственных мероприятий в подверженных техногенному воздействию лесах производилось дифференцированно, с учетом состояния насаждений в пределах каждой зоны повреждения лесных экосистем. а также целевых функций рассматриваемых древостоев. Рекомендуется проводить рубки ухода и санитарные рубки, лесовосстанови-тельные работы, рекультивацию деградированных почв (в зонах сильного и полного поражения), а также работы по закреплению склонов и борьбу с эрозией почв. Кроме того,. целесообразными представляются осуществление регулярных санитарных надзоров и противопожарных мероприятий в ослабленных промышленными выбросами древостоях; а также облесение отвалов и хвостохранилищ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты изучения хвойных лесов Кольского Севера, ; произрастающих в условиях антропогенного воздействия, позволили сделать следующие основные выводы: ^

1. При аэротехногенном загрязнении лесных экосистем наибольшую опасность для растений представляет диоксид серы. Аэрозоли тяжелых металлов усугубляют его негативное воздействие.

2. Загрязнение природных сред, а также аккумуляция поллютантов растительностью носят локальный характер. Самые высокие значения концентраций поллютантов отмечены в пределах 20-кнлометровой зоны по отношению к источникам выбросов: на удалении более 30 км они выходят на значения регионального фона.

3. Связи закисления осадков с воздействием ГМК "Печенгани-кель" не обнаружено.

4. Почвы в рассматриваемом регионе имеют кислую реакцию. Наблюдается некоторое повышение значений рН верхних слоев почв вблизи предприятия, которое может быть связано с нейтрализующим действием металлсодержащей аэрозольной фракции выбросов.

5. Комплекс биометрических параметров, определенных в сосновых древостоях. позволяет проследить их ответную реакцию на разные уровни загрязнения среды и выделить зоны разной степени повреждения растительности.! Наиболее информативными показателями для оценки состояния сосновых лесов Кольского Севера являются возраст хвои в нижней части кроны и значения радиального прироста.

6. В ближней к источникам выбросов зоне наблюдаются высокие уровни содержания никеля в съедобных грибах и ягодах.

7. Для хвойных и лиственных лесов Кольского Севера значения критических нагрузок по выпадениям серы, вычисленные на основе данных о загрязнении атмосферного воздуха, равны 1.0 г/м кв. и 1.5 г/и кв. в год соответственно.

8. Комплекс лесохозяйственных мероприятий в лесах, подвержен-: ных техногенному воздействию, .следует назначать отдельно для каждой зоны повреждения лесных экосистем на основе данных о текущем состоянии древостоев. а также прогнозе их возможных изменений в будущем.

\

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Брускина И.М., Гитарский М.Л., Карабань Р.Т.. Назаров И.М., Сисигина Т.И., Чемерис М. В. Сеть комплексного мониторинга загрязнения природной среды и состояния леса. Тез. докл. I Всесоюзной конференции "Проблемы лесопатологического мониторинга в таежных лесах

европейской части СССР".-Петрозаводск: Карельский НЦ АН СССР.1991, с. 11-12.

2. Гитарский М.Л.. Карабань Р.Т., Чемерис Н.В. Оценка состояния лесов в зонах промышленного загрязнения по некоторым биоэкологическим показателям. Тез.докл. II Всесоюзной научно-технической конференции "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов".-М.:МЛТИ.1991, с. 40-42.

3. Гитарский М.Л.. Карабань Р.Т., Чемерис М.В. Динамика накопления загрязняющих веществ в многолетних ягодных кустарничках. Лесное хозяйство. 1992, 10. с. 11-12.

4. Гитарский М.Л.. Карабань Р.Т., Чемерис М.В. К вопросу о нормировании выпадений серы на лесные экосистемы. Сб.статей ИПГ, -М.: Гидрометеоиздат,1992, с. 13-17.

5. Gytarsky М.L., Karaban R.T., Nazarov I.M. On the assessment of the state of forest ecosystems allocated on the Soviet-Norwegian border area. In: Effects of Air Pollutants on Terrestrial Ecosystems in the Border Area Between Russia and Norway. Proc. of the 1-st symposium. SFT,92:04,TA-854/1992, pp. 163- 170.

6. Karaban R.T., Gytarsky M.L., Brousklna I.M. Forest ecosystems pollution levels over Soviet-Norwegian border area.In: Effects of Air Pollutants on Terrestrial Ecosystems In the Border Area Between Russia and Norway,-- Proc. of the 1-st Symposium, SFT.