Биологическая продуктивность березы повислой в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного комбината

Борников, Александр Вячеславович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Биологическая продуктивность березы повислой в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного комбината
ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Биологическая продуктивность березы повислой в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного комбината"

На правах рукописи

Борников Александр Вячеславович

Биологическая продуктивность березы повислой в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного комбината

06.03.02 -Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Екатеринбург - 2012

005012326

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Усольцев Владимир Андреевич; Официальные оппоненты: Шиятов Степан Григорьевич, доктор

биологических наук, профессор, ФГБУ Науки Институт экологии растений и животных УрО РАН, лаборатория дендрохронологии, ведущий научный сотрудник; Кряжевских Надежда Аркадьевна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», кафедра лесоводства, доцент Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный

аграрный университет»

Защита состоится 29 марта 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.01 при Уральском государственном лесотехническом университете по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, УГЛТУ, УЖ - 1, ауд. 401.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».

Автореферат разослан 22 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бачурина Анна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы Актуальность темы. К середине XX века стало очевидно, что развитие энергетики, промышленности и транспорта привело к появлению нового экологического фактора - промышленного загрязнения, оказывающего разрушительное воздействие на природные комплексы, в частности, на лесные экосистемы. В связи с проблемой стабилизации климата оценка их биологической продуктивности и углерододепонирующей способности с учетом антропогенных воздействий становится все более актуальной (Ведрова и др, 2002; Ярмишко, 2005).

На Урале одним из наиболее интенсивных источников токсичных выбросов в атмосферу является медеплавильное производство, в частности, Карабашский медеплавильный комбинат (КМК) в Челябинской области. Необходимо оценить действительный продукционный потенциал насаждений, подверженных загрязнению выбросами КМК.

Исследования автора проводились в 2009-2012 гг. в рамках проектов «Разработка системы пространственного анализа депонирования углерода лесными экосистемами Уральского региона» и «Первичная биологическая продуктивность лесных экосистем в градиенте промышленного загрязнения», гранты РФФИ № 07-07-96010 и 09-05-00508.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является оценка фитомассы и чистой первичной продукции (ЧПП) насаждений березы повислой в градиенте загрязнений от КМК.

В связи с поставленной целью конкретные задачи исследования: заложить в градиенте загрязнений от КМК пробные площади в количестве, необходимом для выявления закономерностей изменения фитомассы и ЧПП насаждений;

установить закономерности изменения фитомассы, ЧПП и продуктивности ассимиляционного аппарата деревьев березы в градиенте загрязнений;

установить закономерности изменения фитомассы и ЧПП древесного и нижнего яруса березняков в градиенте загрязнений;

составить таблицы для определения фитомассы и ЧПП, а также ква-лиметрических показателей фитомассы, деревьев березы повислой в градиенте загрязнений от КМК.

На защиту выносятся следующие положения:

характеристика биологической продуктивности березы повислой, выраженная в абсолютных и относительных количественных показателях, и закономерности ее изменения в градиенте загрязнений от КМК;

таблицы для определения показателей фитомассы и ЧПП деревьев и насаждений березы повислой в градиенте загрязнений от КМК;

закономерности изменения плотности и содержания сухого вещества в фитомассе в градиенте загрязнения и таблицы для их определения.

Научная новизна. Впервые дана характеристика фитомассы, ЧПЛ и продуктивности листвы березы повислой в градиенте загрязнений от КМК и построены зависимости биологической продуктивности березняков от степени удаления от КМК и индекса токсичности; составлены таблицы для определения количественных и квалиметрических показателей фитомассы и ЧПП деревьев березы и дан их анализ в градиенте загрязнений от КМК.

Практическая значимость работы. Результаты исследования полезны при эколого-экономической оценке воздействий на окружающую среду, оказываемых медеплавильным производством на Урале, и используются Институтом экологии растений и животных УрО РАН, Институтом глобального климата и экологии Росгидромета и РАН и Уральским экологическим союзом (имеются соответствующие справки).

Обоснованность выводов и предложений. Обширный экспериментальный материал и применение адекватных методов статистического анализа, использование современных компьютерных программ, системный подход при анализе фактических материалов и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне регрессионных моделей определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов.

Личное участие автора. Постановка проблемы, сбор исходного материала, его анализ и обработка, формулировка итоговых результатов осуществлены автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2010, 2011); «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2011); «Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири» (Томск, 2011); «Boreal Forests in а Changing World: Challenges and Needs for Actions. 15th IBERA International Science Conference» (Krasnoyarsk, 2011); «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны» (Сыктывкар, 2011); «Отечественная геоботаника: основные вехи и перспективы» (С-Петербург, 2011); VIII международной научно-технической конференции «Формирование регионального лесного кластера: социально-экономические и экологические проблемы и перспективы лесного комплекса» (Екатеринбург, 2011); VII всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи -лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 20 печатных работах, в том ушсле 3 - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 123 страницах, состоит из введения, 7 глав и 5 приложений. Список использованной литературы включает 240 наименований, в том числе 50 на иностранных языках. Текст иллюстрирован 35 таблицами и 20 рисунками.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Проблема загрязнения окружающей среды стоит в ряду важнейших экологических проблем, связанных с антропогенным воздействием на биосферу (Венчиков, 1962; Носырев, 1962; Альберт, 1971; Фоменко, Стрека-лова, 1973; Bortitz, 1974; Кулагин, 1974; Фимушин, 1976; Гудериан, 1979; Николаевский, 1979; Bache, 1979; Будун, 1980; Кулагин, 1980; Алексеев, Дочинжер, 1981; Маковская и др., 1984; Шяпетене, 1987; Рожков, Козак, 1989; Менщиков и др., 1990; Трубина, 1990; Пастернак, Ворон, 1990; Махнев, Любашевский, 1991; Менщиков, 1992; Харук и др., 1996; Фомин, 1998; Голиков, 2000; Акимова, Хаскин, 2001; Черненькова, 2002; Цветков, Цветков, 2003; Лянгузова, 2005; Кулагин, Шагиева, 2005; Тарханов, 2011).

Оценка и прогнозирование ответной реакции биоты на воздействие загрязнения является важнейшей, но методически недостаточно обеспеченной задачей экологического мониторинга. Поэтому представленные результаты изобилуют множеством подходов и методологий (Антипов, 1975; Гальперин, Фимушин, 1975; Капралов, 1981; Кулагин, Сергейчик, 1982; Коженков, 1983; Аннука, Раук, 1984; Мартынюк, 1985; Ватковский, 1986; Армолайтис, Вайчис, 1986; Шяпетене, Вянцкус, 1986; Скуодене, 1988; Бабушкина и др., 1990; Менщиков, 1991; Калинин и др., 1991; Shavnin et al., 1997). При анализе зависимостей «доза-эффект» в наземных экосистемах установлен нелинейный характер реакции биоты на токсическую нагрузку (Арманд и др., 1991; Салиев, 1988; Воробейчик и др., 1994; Воробейчик, Хантемирова, 1994; Воробейчик, 2004), и имеет место гистерезисный (Ве-дюшкин, 1989), или триггерный эффект (Алексеев, 1976).

Интегральным показателем, адекватно отражающим реакцию деревьев на загрязнения, является текущий прирост древесины. В годичных кольцах содержится ретроспективная информация о динамике развития древостоя (Lux, 1965; Лиепа, 1980; Keller, 1980; Neumann, Schieler, 1981; Neumann, Pollanschütz, 1982; Розенберг, Феклистов, 1982; Athari, Kramer, 1983; Мауринь, Раман, 1986; Махнев и др., 1990; Кучеров, Мулдашев, 2003; Горшков и др., 2006; Катюнин, Горшков, 2009). Однако нет единого подхода к сбору и обработке дендрохронологической информации (Лове-лиус, 1979; Шиятов, 1986; Барттсявичюс, 1987; Nöjd, Kauppi, 1995; Forest..., 2000; Рунова и др., 2005; Ярмишко, Ярмишко, 2004). Кроме того, становится все сложнее вычленить долю естественных изменений радиального прироста деревьев от тех, которые обусловлены интенсивной деятельностью человека (Мешковский, 1984; Ловелиус, Ярмишко, 1990; Ярмишко, 1997; Кучеров, Мулдашев, 1996,2003; Ярмишко и др., 2009).

В одних случаях обнаружена линейная связь между степенью дефолиации и снижением прироста (Фимушин, 1979; Kenk, 1984; Венк, 1987; Kenk et al., 1988; Soderberg, 1991), а в других - утверждается, что радиальный прирост деревьев не изменяется даже при потере ими 50-60% хвои (Eckstein et al., 1989; Лесные..., 1990). A.C. Алексеев (1993) объяснил, что

при слабой дефолиации имеет место буферная стадия процесса, характеризующаяся слабой зависимостью прироста от степени повреждения.

Поскольку одними дендрометрическими методами невозможно оперативно оценить степень нагрузки на растения, особенно при действии низких концентраций выбросов, изучаются ассимиляционные или репродуктивные органы, которые наиболее чувствительны к атмосферному загрязнению (Кулагин, 1974; Карпенко, 1981; Десслер, 1981; Ulrich, 1983; Николаевский, 1983; Freer-Smith, 1985; Алексеев, 1989; Лянгузова, 1990; Ковалев, 1990; Бабушкина и др., 1990; Ужегова и др., 1990; Габукова и др., 1991; Барахтенова, 1995; Фуксман и др., 1996; Шавнин и др., 1996; Аникеев, 1996; Юсупов. 1996; Тарбаева, 1997; Судачкова, 1998; Власенко, 1999; Теребова и др., 2000; Менщиков, Власенко, 2000; Торлопова, Робакидзе, 2003; Осколков, Воронин, 2003; Феклистов и др., 2005; Ярмишко, 2009; Валетова, 2009; Низаметдинов, 2009; Зарубина, 2011). Поскольку установлено увеличение плотности охвоения побегов при увеличении загрязнений (Ярмишко, 1997; Зарубина, 2011; Тарханов, 2011), но при этом снижается охвоенность крон деревьев (Сидаравичюс, 1987; Ярмишко, 1990; Brassel, Schwyzer, 1992), то эти противоположные тенденции накладываются одна на другую, и в результате достаточно четкие закономерности на уровне деревьев не всегда выявляются (Бергман, 2011). В условиях магнезитового загрязнения на Южном Урале показано, что с возрастанием уровня загрязнения снижается надземная фитомасса в культурах березы (Завьялов, 2009). Однако по вопросу устойчивости березы к атмосферным выбросам существуют противоречивые мнения (Красинский, Князева, 1950; Гроздов. 1952; Илюшин, 1953; Чуваев и др., 1973; Антипов, 1979; Roger, 1981).

Известная с конца XIX века взаимосвязь массы хвои с объемным приростом (Hartig, 1896; Burger, 1929; Busse, 1930; Коссович, 1940; Георгиевский, 1948; Полякова, 1954; Satoo, 1970; Albrektson, 1980; White, 1993) и пайп-модель (Jaccard, 1913; Huber, 1928; Yamaoka, 1952; Shinozaki et al., 1964; West, Wells, 1990) в различных сочетаниях используются при оценке жизнеспособности деревьев (Waring, 1987; Waring et al., 1980; Сидаравичюс. 1985; Kaufmann, Watkins, 1990; Horntvedt, 1993; Усольцев, 1998). B.A. Усольцев (1998) показал, что продуктивность массы хвои в сосняках Урала (зона умеренного загрязнения) на 17-18% ниже, чем в Тургае («чистая» зона).

При исследовании биологической продуктивности лесов большое значение имеют данные о плотности и содержании сухого вещества в фи-томассе деревьев, или о ее квалиметрических показателях (Исаева, 1963; Поздняков, 1973, 1985; Полубояринов, 1976; Смоляк и др., 1978; Успенский, 1980; Усольцев, 1988; Мелехов и др., 2003), изменяющихся в градиенте аэрозагрязнений (Усольцев и др., 2010, 2011).

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

Леса, подверженные воздействию КМК, находятся в ведении Кыш-тымского лесничества Челябинской области. Согласно лесорастительному районированию Б.П. Колесникова с соавт. (1973) территория отнесена к южноуральской провинции горно-таежных и смешанных лесов, а более обширная центральная часть - к провинции предгорных березово-сосновых лесов. В диссертации описаны климатические и лесорастительные условия района, гидрография и гидрологические условия, рельеф и почвы. Приведены основные показатели лесного фонда, описано состояние загрязненных насаждений в окрестностях КМК.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКА И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ

РАБОТ

В естественных спелых березовых насаждениях, примыкающих к КМК, заложены 34 временные пробные площади согласно ОСТ 56-69-83 "Пробные площади лесоустроительные" (табл. 1).

Таблица 1

Таксационная характеристика древостоев пробных площадей, заложенных в березовых насаждениях в градиенте загрязнений от КМК

ь*. км Породный состав Возраст древостоя, Класс бонитета Число стволов, экз./га Средний диаметр, см Средняя высота, м Площадь сечений, м /га Запас, м3/га

3,5 10Б 69 II 832 15,1 19,0 14,9 152

3,5 ЮБ+Ол 69 II 1168 14,0 18,2 17,9 197

3,5 10Б+С 70 I 768 18,5 21,2 20,7 236

3,8 10Б+С 50 IV 1072 15,3 14,2 19,4 193

3,8 10Б+С 69 II 960 14,3 18,4 24,9 266

3,8 10Б 70 II 752 17,3 20,4 17,7 183

3,8 10Б 70 П 736 19,7 21,9 22,5 260

4,8 9Б1С 45 Ш 1178 14,1 13,7 17,6 158

8,5 10Б+С+Е 40 III 1239 14,9 15 21,8 208

9,1 10Б+С 45 Ш 1217 15,1 15,1 21,5 214

9,2 6Б40с+С 71 I 832 18,7 21,9 22,9 262

9,1 ЮБ+Е+Ос 63 I 1152 16,0 20,2 23,2 309

9,2 ЮБ+Ос 69 I 960 18,0 21,4 34,1 369

10,6 9Б10с+С 66 I 1536 16,8 21,6 34,0 417

10,6 7Б20с1С 78 I 768 21,5 25,3 27,8 382

10,6 8Б2С+Ос 62 I 1802 15,7 20,7 43,2 423

12,3 9Б10с 57 I 1408 15,0 19,5 24,8 271

Продолжение таблицы 1

I* км Породный состав Возраст древостоя, лет Класс бонитета Число стволов, экз./га Средний диаметр, см Средняя высота, м Площадь сечений, м2/га о « св С СП "

12,3 ЮБ+С+Ос 63 I 1264 17,1 21,1 29,2 367

13,1 10Б+С 50 II 740 21,5 19,5 26,6 337

17,5 7Б2С10с 50 III 796 21,0 17,8 25,6 306

18,5 10Б+С 69 I 912 22,0 24,9 34,8 457

18,5 10Б 71 I 720 23,2 25,6 30,5 405

18,5 ЮБ+Ос 72 I 848 23,5 25,8 36,7 483

25,8 ЮБ+Ос 72 I 800 21,6 26,2 29,3 447

25,7 ЮБ+Ос 68 I 1168 19,0 23,6 33,1 527

25,8 10Б 74 I 752 22,8 27,3 30,7 482

28,7 9Б1С 71 I 912 20,9 25,5 31,3 495

28,7 9Б1Лц+С 72 I 960 21,5 26,1 34,8 535

28,7 8Б20с+С 68 I 832 21,2 23,8 24,0 318

31,0 10Б+Лп 40 1П 856 17,9 16,0 22,2 297

31,7 10Б+С 72 I 912 21,1 25,6 31,9 505

31,7 10Б+С 72 I 992 21,3 25,8 35,2 552

31,7 10Б+С 72 I 1136 21,0 25,6 39,4 603

* Ь - здесь и далее расстояние от источника загрязнений.

Для определения фитомассы деревьев и древостоев взяты 56 модельных деревьев в возрасте от 30 до 86 лет. После рубки ствол делили на 10 секций, на середине каждой секции и на расстоянии 1,3 м от комля выпиливали диски и определяли диаметры ствола в коре и без коры. По этим замерам рассчитывали объем древесины и коры дерева. У стволов взяты 168 дисков на относительных высотах 20, 50 и 80% от общей высоты дерева и определены у каждого масса с точностью до 0,1 г и объем древесины и коры. Определена их плотность и содержание сухого вещества.

После обрубки ветвей всю крону взвешивали с точностью до 50 г и делили на облиственные и не облиственные ветви. Затем облиственные ветви взвешивали с точностью до 50 г, отбирали навеску (около 0,5 кг) для установления соотношения листвы и скелетных частей и взвешивали с точностью до 1 г. Листву в навеске отделяли от скелета и взвешивали. По установленным соотношениям определяли фитомассу листвы и скелета кроны. Общее количество взятых навесок листвы и ветвей - соответственно 56 и 56. По полученным значениям рассчитывали абсолютно сухую массу листвы и ветвей дерева. Древесину и кору дисков, навески листвы и ветвей сушили до постоянной массы при температуре 100-105 С.

Таким образом, в нашем исследовании принят лесотаксационный подход, основанный на «древоизмерении» методами традиционной (Ану-чин, 1982) и весовой (Успенский, 1983; Поздняков, 1985) таксации.

Показатели биопродуктивности подроста и подлеска определены с использованием методики Ботанического института РАН (Методы..., 2002) на трех мини-площадках размером 5x5 м в пределах каждой пробной площади (табл. 2).

Таблица 2

Количество модельных растений нижнего яруса, взятых для опреде-

ления их фитомассы и первичной продукции

Вид растения Количество моделей

Подрост Береза повислая 25

Сосна обыкновенная 49

Осина 28

Итого подрост 102

Подлесок Ольха серая 11

Кизильник 12

Липа мелколистная 7

Ракитник русский 34

Рябина обыкновенная 27

Черемуха обыкновенная 18

Шиповник иглистый 3

Итого подлесок 112

Всего 214

Диапазон варьирования высот разбивали на три градации по каждому виду и в пределах каждой градации вели перечет по диаметру у основания корневой шейки штангенциркулем с точностью до 0,5 мм. Модельные растения каждого вида (всего 214) взяты на пробных площадях в градиенте загрязнения, по одному растению в каждой ступени толщины. Растения высотой менее 0,5 м фракционировали, взвешивали и сушили при 100-105°С до постоянной массы. У корневой шейки по годичным кольцам определяли возраст, делением на который полученной массы скелетной части растения определена ее первичная продукция.

У растений высотой более 0,5 м секатором отделяли облиственные побеги, из их общего количества (средняя часть кроны) брали навеску массой около 500 г, взвешивали; у нее отделяли листву и повторно взвешивали. Затем листву и остальную часть навески сушили и рассчитывали содержание сухого вещества в обеих фракциях. По их значениям определяли сухую массу фракций всего растения. Первичную продукцию скелетной части рассчитывали аналогично выше приведенной методике. Полученные

значения скелетной части и листвы каждого вида соотносили с их суммой площадей сечений и затем по общей сумме площадей сечений, полученной перечетом на мини-площадках, находили фитомассу скелетной части и листвы и переводили ее на 1 га регрессионным методом (Усольцев, 1985).

Мы признательны сотруднице Уральского государственного лесотехнического университета к.с.-х.н. A.B. Бачуриной, любезно предоставившей нам некоторые таксационные материалы и данные о фитомассе живого напочвенного покрова, а также сотрудникам Института экологии растений и животных УрО РАН E.JI. Воробейчику и М.Р. Трубиной, любезно предоставившим нам данные о фитомассе и ЧПП живого напочвенного покрова и мхов, а также E.JI. Воробейчику, С.Ю. Кайгородовой, П.Г. Пищу-лину, A.B. Щепеткину и И. Биктимирову, предоставившим данные по индексам токсичности в градиенте загрязнений от КМК.

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА ФИТОМАССЫ И ЧПП ДЕРЕВЬЕВ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ: АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И СОСТАВЛЕНИЕ ТАКСАЦИОННЫХ ТАБЛИЦ

Для объяснения варьирования биопродуктивности, обусловленного возрастом и ценотическим положением дерева, мы применили многофакторное аллометрическое уравнение - степенную функцию, линеаризованную путем логарифмирования:

1оР, = ао + a^nD +a2lnl; (1)

InZ, = a0 + ailnD +a2lnL, (2)

где Pj и Zj - соответственно фитомасса и ЧПП i-й фракции дерева (листвы, ветвей и ствола) в абсолютно сухом состоянии, кг; D - диаметр ствола на высоте груди, см; L - номинальная переменная (Айвазян и др., 1985), выражающая степень удаления от КМК, км. Высота и возраст дерева оказались тесно коррелированными с диаметром ствола и в (1) и (2) статистически незначимыми. Константы в (1) и (2), в основном, статистически достоверны, R2 - в пределах от 0,928 до 0,984 и лишь для ЧПП ветвей ниже -0,876. Таблица 3, составленная на основе (1) и (2), показывает, что фитомасса листвы, ветвей, стволов и всей надземной части дерева на контроле превышает аналогичные показатели импактной зоны соответственно на 28, 33, 9 и 12%, а ЧПП соответственно на 28,77, 70 и 44%, что свидетельствует о расхождении с аналогичными результатами по сосне в том же градиенте загрязнений, где не было выявлено достоверной закономерности (Жа-набаева, 2012). Таким образом, в окрестностях КМК фитомасса и ЧПП березы реагируют на загрязнения в значительно большей степеЕШ по сравнению с сосной. Это находится в некотором противоречии с известным положением о меньшей устойчивости хвойных пород к воздействию про-мвыбросов по сравнению с мелколиственными (Рунова, 1999). Возможно, в данном случае речь идет о разных явлениях: на допороговых уровнях за-

грязнений при возрастании токсичных нагрузок сосна снижает свою биопродуктивность замедленными темпами по сравнению с березой, но на предельном уровне в импактной зоне гибнет быстрее березы вследствие интенсивного поражения хвои хлорозами и некрозами (Ярмишко, 2009).

Таблица 3

Изменение фитомассы и ЧПП деревьев березы разного диаметра в связи с удалением от КМК (по уравнениям 1 и 2, фрагмент)_

L, Фрак- Диаметр ствола на высоте п зуди, см

км ции 8 10 12 14 16 18 20 24 28

Фитомасса

Листва 0,39 0,67 1,04 1,51 2,09 2,78 3,60 5,61 8,16

4 Ветви 1,33 2,50 4,16 6,42 9,33 13,0 17,5 29,1 44,9

Ствол 16,8 29,2 45,8 67,1 93,4 124,9 162,1 254.5 372,6

Итого 18,5 32,4 51,0 75,0 104,8 140,7 183,2 289,2 425,7

Листва 0,49 0,85 1,32 1,93 2,67 3,55 4,59 7,15 10,4

30 Ветви 1,77 3,32 5,53 8,52 12,4 17,3 23,2 38,7 59,6

Ствол 18,4 31,9 50,1 73,3 102,0 136,6 177,2 278,2 407,3

Итого 20,6 36,1 56,9 83,8 117,1 157,4 205,0 324,0 477,3

ЧПП

4 Листва 0,387 0,667 1,04 1,51 2,09 2,78 3,60 5,61 8,16

Ветви 0,092 0,152 0,230 0,326 0,44 0,58 0,73 1,11 1,57

Ствол 0,294 0,458 0,658 0,894 1,17 1,47 1,82 2,61 3,54

Итого 0,773 1,28 1,93 2,73 3,70 4,83 6,15 9,32 13,3

Листва 0,494 0,850 1,32 1,93 2,67 3,55 4,59 7,15 10,4

30 Ветви 0,163 0,270 0,408 0,578 0,78 1,02 1,30 1,96 2,78

Ствол 0,500 0,780 1,12 1,52 1,98 2,51 3,09 4,44 6,03

Итого 1,16 1,90 2,85 4,03 5,43 7,08 8,98 13,6 19,2

Поскольку выводы исследователей о возможности построения «всеобщих» моделей фитомассы, применимых на межрегиональном, региональном и локальном уровнях, противоречивы и неопределенны (Pastor et al., 1984; Freedman, 1984; Lehtonen, Vayred, 2002; Wirth, 2004), для суждения о возможности или невозможности использования модели фитомассы деревьев в качестве «всеобщей» мы провели анализ смещений аллометри-ческих моделей подеревной фитомассы естественных березняков из разных регионов (Усольцев, 1997) с целью установления их региональных расхождений. Общее количество модельных деревьев - 658. Полученный нами массив данных о фитомассе деревьев березы вблизи КМК взят в качестве базового для сравнений. Для оценки региональных смещений в величине фитомассы равновеликих деревьев принята регрессионная модель: lnP, = ао +a,lnD +а21пЯ +а3(1пО)(1пЯ) +а4Х 1 +а5Х2+абХЗ+а7Х4+а8Х5, (3)

где Р, - масса /'-й фракции дерева, кг; И и Н - диаметр и высота ствола, соответственно в см и м; XI...Х5 - фиктивные блоковые переменные, которыми закодирована региональная принадлежность данных о фитомассе деревьев, выполненная по специальной схеме (Дрейпер, Смит, 1973). Поскольку установлено (табл. 4), что фитомасса листвы березы смещена в «чистых» регионах по отношению к Карабашу в интервале от -47 до +55% и ветвей - от -28 до +43%, можно сделать вывод, что использовать унифицированные аллометрические уравнения для определения фитомассы крон деревьев в естественных березняках разных регионов нельзя.

Таблица 4

Относительные показатели фитомассы деревьев березы разных регио-

нов, % к значениям для Карабаша

Регион Фитомасса фракций, %

Листва Ветви Стволы Вся надземная

I 100 100 100 100

II 155 138 107 108

III 132 143 104 107

IV 130 141 107 111

V 141 98 109 105

VI 53 72 97 90

^Обозначения регионов: I - окрестности КМК, исходный массив (56); II - Ара-Карагайский бор (144); III - Североказахстанская колочная лесостепь (97); IV- Североказахстанская южная лесостепь (230); V-Южный Урал (47); VI- Средний Урал (84) (Усольцев, 1997). Цифрами в скобках обозначено количество модельных деревьев.

Смещения в оценках фитомассы стволов Ps, (от -3 до +9%) и всей надземной РрЪо (от -10 до +11%) значительно меньше, и унифицированные аллометрические уравнения для них могут быть использованы для оценки их фитомассы на 1 га березняков разных регионов с точностью ±10%. Для этой цели рассчитаны унифицированные модели

lnPsí = -2,987 +1.045Ы) +l,0281ntf+0,195(1п£>)(1пЯ); R2 =0,994; SE=0,15; (4) 1пР^=-2,390 +0,9821nD +0,7751пЯ +0,255(lnD)(lntf); R2 =0,989; SE=0,20. (5)

ГЛАВА 5. ПРОДУКТИВНОСТЬ АССИМИЛЯЦИОННОГО АППАРАТА БЕРЕЗЫ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОТ КМК

При анализе изменчивости относительных показателей продуктивности листвы мы исходили из предположения, что они зависят не только от степени загрязнений, но и от возраста дерева (Усольцев, 1985; Жанабае-ва, 2012). Поэтому по совокупности взятых 56 модельных деревьев рассчитаны двухфакторные регрессии:

In (Z/P¡) = 7,736 -1,579 Ш +0,111 InL; R2 =0,777; SE = 0,24; (6)

1п = 0,661 -0,9221пА +0,182 \пЦ Я2 =0,790; БЕ = 0,16, (7) где 2% - годичный прирост площади сечения ствола на высоте 1,3 м (см ), средний за последние 5 лет; Сг - площадь сечения заболони ствола (см2); р(- масса листвы дерева, кг; А - возраст дерева, лет. В нашем анализе продуктивности листвы вместо объемного прироста ствола использован менее трудоемкий показатель, получаемый непосредственным измерением, а именно годичный прирост площади сечения, средний за последние 5 лет (2^), и соответственно относительный показатель продуктивности листвы представлен как Второй показатель продуктивности листвы (косвенный) включает годичный прирост площади сечения ствола на высоте груди как характеристику флоэмного транспорта и площадь сечения заболони (С2) как характеристику ксилемного транспорта, представленную у рас-сеяно-поровой березы всем сечением ствола без коры; предполагается, что чем больше годичный прирост ствола при одной и той же площади сечения заболони, тем выше продуктивность листвы.

Значимость всех констант в (6) и (7) характеризуется значениями критерия Стыодента в пределах от 2,1 до 12,8, что выше ^ = 2,0. Результаты табулирования уравнений (6) и 7) показали, что продуктивность листвы по обоим показателям снижается с возрастом дерева в пределах одной зоны загрязнения, а у деревьев одного и того же возраста - по мере приближения к источнику загрязнений (табл. 5).

Таблица 5

Изменение продуктивности листвы деревьев березы повислой

разного возраста в связи с удалением от КМ К

и км Продуктивность листвы 2/Р} (см2/кг) при возрасте дерева, лет Продуктивность листвы 2/С, (см2/см2) при возрасте дерева, лет

30 40 50 70 90 30 40 50 70 90

4 12,44 7,90 5,55 3,26 2,20 0,108 0,083 0,068 0,050 0,039

6 13,01 8,26 5,81 3,42 2,30 0,117 0,089 0,073 0,053 0,042

8 13,44 8,53 6,00 3,53 2,37 0,123 0,094 0,077 0,056 0,045

12 14,06 8,93 6,28 3,69 2,48 0,132 0,102 0,083 0,061 0,048

20 14,88 9,45 6,64 3,91 2,63 0,145 0,111 0,091 0,067 0,053

30 15,57 9,89 6,95 4,09 2,75 0,156 0,120 0,098 0,072 0,057

При увеличении возраста дерева с 30 до 90 лет показатель 2^?; снижается в 5,6 раза, а 2^С,г - в 2,8 раза. При увеличении расстояния от КМК в градиенте загрязнений с 4 до 30 км показатель возрастает на 25, а показатель 2^0,- на 44%.

Поскольку в условиях Литвы было установлено (Сидаравичюс, 1985), что по мере приближения к заводу азотных удобрений в Йонаве с расстояния 15 до 8 км продуктивность хвои сосны, выраженная отношением объемного прироста ствола к массе хвои (2///), снизилась на 30-40%, мы проанализировали в градиенте загрязнений от КМК изменение анало-

гичного показателя с тем отличием, что вместо объемного прироста ввели в (8) прирост ствола по фитомассе:

ln(ZyP/) = 2,505 -0,805 Ш +0,144 InL; R2 =0,463; SE = 0,27, (8) где ZJf- годичный прирост ствола по массе в абсолютно сухом состоянии, средний за последние 5 лет, кг. Однако по величине R2 уравнение (8) дает на 70% худШии результат по отношению к (6).

ГЛАВА 6. ФИТОМАССА И ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ БЕРЕЗОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОТ КМК

Структура фитомассы березовых древостоев и анализ ее связи с расстоянием от источника загрязнений. В связи с попытками расчета и использования унифицированных аллометрических уравнений фитомассы деревьев (Wirth, 2004), не всегда (как было показано выше) успешными, мы попытались выяснить, влияет ли использование унифицированных аллометрических уравнений (т.е. рассчитанных для всего градиента загрязнений) на закономерность изменения биопродуктивности насаждений на 1 га по мере удаления от КМК, или необходимо для каждой зоны применять локальные уравнения? По данным фитомассы 56 деревьев нами рассчитаны те и другие из упомянутых аллометрических уравнений с коэффициентами R2 в пределах от 0,92 до 0,99. Результаты определения фитомассы древесного яруса по материалам инструментальной таксации древостоев 34 пробных площадей показаны на рис. 1. Аппроксимация соответствующих двух зависимостей выполнена с использованием уравнения:

Р, = ао+ Э] (1/L)2, (9)

где P¡ - фитомасса i-ой фракции (листвы, ветвей, стволов и всей надземной), т/га. Полученные регрессии (см. рис.1) объясняют от 36 до 56% общей дисперсии; тем не менее, они статистически достоверны, поскольку значимость константы ai в (9) составляет, по Стьюденту, от 4,3 до 4,7, что больше табличной (2,0). Поскольку фитомасса деревьев возрастает по мере удаления от КМК, то вводя в расчет обобщенные уравнения вместо локальных, мы завышаем показатели в импактной зоне и занижаем - на контроле. Соответственно значения фитомассы (т/га), рассчитанные по обобщенным уравнениям, для импактной зоны выше, чем по локальным, а для контроля - наоборот, ниже. Поскольку кривые на рис. 1 вследствие этого пересекаются, при сравнении достоверности различий между ними мы ввели в уравнение (10) не бинарную переменную Т, а синергизм TxL:

Р,- = ао + a, (1/L)2 + а2 (7) + а3 (TxL), (10)

где Т- бинарная переменная, характеризующая тип уравнения, по которому рассчитан фракционный состав фитомассы на 1 га; Т здесь и далее принята равной 1 и 0 соответственно для локальных и обобщенных аллометрических уравнений.

о и

| 350 £ 300 е 250 200 150 100 50

¥*

I 41}

.Г

да

Рис. 1. Связь массы листвы (а) и надземной фитомассы (б) березовых древостоев с расстоянием от КМК по уравнению (9) и ее соотношение с фактическими данными; 1 и 2 -кривые, полученные на основе соответственно обобщенного и локальных аллометриче-ских уравнений.

-м-

I 10 20 30 40 Расстояние от КМК, км

.—1-2

а оо обобщенным ■ • по локальным уравнениям

Анализ характеристик рассчитанного уравнения (10) показал, что они объясняют 52-53% изменчивости фитомассы, и различие между двумя названными линиями регрессии достоверно. Это означает, что значения фитомассы листвы, ветвей, стволов и всей надземной (т/га), рассчитанные по обобщенным аллометрическим уравнениям, завышены для импактной зоны и занижены для контрольных участков. Следовательно, обобщенные аллометрические уравнения фитомассы нельзя использовать для определения ее фракционного состава на 1 га по всему градиенту загрязнений, и для этой цели приняты уравнения (9), рассчитанные по локальным уравнениям (табл. 6).

Таблица 6

Характеристика уравнений (9), рассчитанных по локальным аллометриче-

Фракция фитомассы Константы и независимые переменные Я2 ЯЕ

ао а,(1/£Г

Листва 3,510 -24,72 0,536 0,70

Ветви 19,03 -143,1 0,421 5,14

Стволы 177,5 -1214,4 0,558 33,1

Надземная 200,1 -1382,5 0,556 37,8

Струкгура ЧПП березовых древостоев и анализ ее связи с расстоянием от источника загрязнений. Сопоставление результатов применения аллометрических уравнений двух видов для ЧПП деревьев выполнено по аналогии с уравнениями для фитомассы. Зависимость фракционного состава ЧПП по мере удаления от КМК описана уравнением

3 = ао+а,(1/1)2, (1П

где - ЧПП фитомассы г'-ой фракции (листвы, ветвей, стволов и всей надземной), т/га. Как и на рис. 1, поля распределения показателей ЧПП березняков в градиенте загрязнений от КМК, рассчитанных по обобщенному и локальным уравнениям, пересекаются. Расчет уравнений с синергизмом ТхЬ, подобным в (10), показал, что они достоверно различаются. Поэтому приняты уравнения (11), рассчитанные по локальным уравнениям (табл. 7).

Таблица 7

Характеристика уравнений (11), рассчитанных по локальным аллометрическим уравнениям_

Фракция ЧПП

Листва

Ветви

Стволы

Надземная

Константы и независимые _переменные

ао

3,510

0,797

2,426

6,684

8.(1/1)'

-24,72

-6,777

-19,80

-51,32

0,536

0,573

0,611

0,612

БЕ

0,70

0,18

0,48

1,25

Таким образом, в градиенте загрязнений фитомасса и ЧПП березовых древостоев по мере удаления от КМК резко увеличивается в диапазоне от 4-5 до 10-12 км, а при дальнейшем удалении стабилизируется. Выявленные закономерности изменения биологической продуктивности березовых древостоев в градиенте загрязнений по мере удаления от КМК могут быть использованы при картографировании продуктивности лесов.

Фитомасса и ЧПП нижнего яруса березовых насаждений и анализ их связи с расстоянием от источника загрязнений. Закономерности изменения фитомассы и ЧПП нижнего яруса, куда вошли подрост, подлесок и живой напочвенный покров (ЖНП), определены в том же градиенте загрязнений, что и соответствующие показатели основного яруса (табл. 8). Цифровые данные табл. 8 позволяют утверждать, что по мере удаления от КМК происходит увеличение фитомассы и ЧПП не только древесного, но и компонентов нижнего яруса - подроста, подлеска и ЖНП. При этом происходит перераспределение их участия в фитомассе и ЧПП нижнего яруса: снижение доли подроста и подлеска и возрастание доли ЖНП (табл. 9).

Таблица 8

Фактические значения надземной фитомассы и ЧПП основного и нижнего

Фитомасса, т/га Годичная продукция, т/га

Зона* « Нижний ярус 15 а Нижний ярус

км Древесн) ярус Подрост Подлесок ЖНП Итого Древесн ярус Подрост Подлесок ЖНП Итого

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

3,5 79,7 0,02 0,44 0,021 0,481 2,34 0,002 0,049 0,008 0,059

3,5 102,1 0,08 0,03 0,009 0,119 3,09 0,009 0,003 0 0,012

н 3,5 121,7 0,17 0 0,008 0,178 3,76 0,019 0 0,004 0,023

« 3,8 128,0 0,016 0,002 0,02 0,038 3,43 0,002 0,0002 0,018 0,020

и В 3,8 101,9 0,011 0,008 0,017 0,036 2,96 0,0020 0,0009 0,0118 0,0147

К 3,8 96,0 0,002 0,007 0,023 0,032 2,83 0,0002 0,0008 0,014 0,015

3,8 111,5 0,009 0,001 0,007 0,017 3,34 0,0009 0,0001 0,006 0,007

4,7 87,7 0,016 0,002 0,091 0,109 3,09 0,0020 0,0002 0,091 0,093

Среднее 103,6 0,041 0,061 0,025 0,126 3,11 0,0046 0,0068 0,019 0,030

Продолжение таблицы 8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 10 11 12

6,4 114,8 0,195 0,577 0,113 0,885 4,46 0,018 0,052 0,113 0,183

8.5 126,1 0,436 0,425 0,514 1,375 4,31 0,039 0,039 0,514 0,592

9,2 135,1 0,065 0,334 0,322 0,721 4,43 0,005 0,026 0,322 0,353

9,2 151,8 0,134 0,221 0,255 0,610 5,08 0,01 0,017 0,255 0,282

о, и 9,2 161,3 0,005 0,604 0,168 0,777 5,45 0 0,047 0,168 0,215

10,6 214,3 0,195 0,577 0,566 1,338 6,82 0,018 0,052 0,538 0,608

10,6 197,2 0,436 0,425 0,650 1,511 5,99 0,039 0,039 0,536 0,614

ш 10,6 216,9 0,373 0,380 0,599 1,352 7,07 0,034 0,034 0,569 0,637

12,3 188,8 0,182 0,068 0,670 0,92 6,22 0,015 0,006 0,662 0,683

12,3 123,6 0,027 0,363 0,651 1,041 4,29 0,002 0,031 0,642 0,675

12,3 161,1 0,082 0,198 0,517 0,797 5,45 0,007 0,016 0,509 0,532

13,1 163,2 0,37 0,02 0,678 1,068 4,72 0,031 0,002 0,678 0,711

Среднее 162,9 0,208 0,349 0,475 1,033 5,36 0,0182 0,0301 0,459 0,507

17,5 168,0 0,021 0,440 0,613 1,074 4,91 0,018 0,031 0,613 0,662

18,5 247,2 0,051 0,119 0,863 1,033 8,27 0,004 0,008 0,848 0,86

18,5 219,1 0 0,460 1,074 1,534 7,29 0 0,033 1,068 1,101

18,5 261,3 0,370 0,020 1,074 1,464 8,65 0,027 0,001 1,046 1,074

25,8 214,4 о 0,148 0,677 0,825 7,61 0 0,011 0,672 0,683

25,8 232,0 0,089 0,541 0,511 1,141 8,09 0,007 0,041 0,496 0,544

к 25,8 229,6 0 0,546 0,749 1,295 8,01 0 0,042 0,748 0,79

£ 28,7 231,7 0,153 0,140 0,955 1,248 7,68 0,011 0,011 0,955 0,977

28,7 250,9 0,632 0,366 0,908 1,906 8,36 0,049 0,028 0,908 0,985

28,7 150,3 0,173 0,101 0,916 1,190 5,13 0,013 0,008 0,913 0,934

31,0 149,1 0,193 0,542 0,553 1,288 5,45 0,015 0,043 0,553 0,611

31,7 238,6 0,181 0,548 0,675 1,404 8,44 0,014 0,042 0,672 0,728

31,7 261,4 0,405 0,249 0,627 1,281 8,99 0,031 0,019 0,609 0,659

31,7 288,6 1,340 0,271 0,616 2,227 10,2 0,103 0,021 0,599 0,723

Среднее 224,4 0,300 0,321 0,772 1,351 13,4 0,021 0,024 0,764 0,809

Общее среднее 188,8 0,211 0,301 0,546 1,058 6,59 0,018 0,025 0,534 0,577

По-видимому, от выбросов КМК в первую очередь поражается ЖНП, а подрост и подлесок лучше противостоят их воздействию. График соотношения фитомассы и ЧПП нижнего яруса с расстоянием от КМК показывает резкое увеличение фитомассы и ЧПП в диапазоне расстояний от 4-5 до 10-12 с последующей стабилизацией. Эту закономерность можно описать той же функцией, что и для соответствующих закономерностей по показателям основного яруса (9) и (11). В результате расчета по фактическим данным табл. 8 получены уравнения:

Ри = 1,214 - 14,605 (1И)\ Я2 = 0,700, БЕ = 0,28; (12)

2и = 0,695 - 9,497 (1/I)2; Я2= 0,742, БЕ = 0,16, (13)

где Ри и 2и - соответственно фитомасса и ЧПП нижнего яруса, т/га.

Таблица 9

Изменение соотношения долевого участия подроста, подлеска и ЖНП в общей массе и ЧПП нижнего яруса в разных зонах загрязнений,'

Фитомасса,'

Подрост

Подлесок

ЖНП

Итого

100

Годичная продукция,'

Подрост

Подлесок

ЖНП

Итого

100

♦Обозначения: 1, 2 и 3 - зоны загрязнений соответственно импакт-ная, буферная и фоновая. Уравнения (12) и (13) статистически достоверны, поскольку значение 1фа1сг константы при переменной (1 Ibf составило в первом случае 8,1 и во втором 9,0, т.е. в обоих случаях больше to5 = 2,0. Графическая интерпретация уравнений (12) и (13) дана на рис. 2.

Рис. 2. Связь надземной фитомас-сы (а) и ЧПП (б) нижнего яруса березовых насаждений с расстоянием от КМК по уравнениям соответственно (12) и (13) и их соотношение с фактическими данными.

Структура фитомассы и ЧПП березовых древостоев в градиенте загрязнений:зависимости «доза - эффект». Локальное воздействие на биоту можно исследовать не только в зависимо-

О 10 20 30 40 Расстояние от КМК. км

сти от степени удаления от источника загрязнений (что необходимо для зонирования территории), но и путем описания зависимостей «доза-эффект» (что необходимо для анализа устойчивости экосистем). Наше исследование выполнено с целью определения пределов устойчивости естественных березовых насаждений на основе анализа зависимостей "доза-эффект". В качестве показателей "эффекта" регистрируются показатели биологической продуктивности (фитомассы и ее годичного прироста) насаждений в градиенте загрязнений от КМК, а в качестве «дозы» — индекс токсичности по трем наиболее "техногенным" металлам Си, РЬ и Бе. Аппроксимация зависимостей «доза-эффект» выполнена с помощью логистической кривой как нисходящей составляющей петли гистерезиса (рис. 3) по методике ЕЛ. Воробейчика (2003).

20 40 60 80 100 120 140160 Индекс токсичности

Рис. 3. Зависимость «доза - эффект» для надземной ЧПП березовых древостоев в градиенте загрязнений отКМК

Выделяются два состояния -фоновое (высокие значения продуктивности) и импактное (низкие значения). К сожалению, градиент нагрузки в нашем случае оказался «разорванным»: отсутствуют точки в диапазоне значений индекса от 20 до 80 усл. единиц. Переход березовых насаждений из одного состояния в другое начинается при значениях индекса токсичности около 20 единиц при его максимальных значениях около 140, т.е. уже при умеренных уровнях загрязнения.

ГЛАВА 7. ПЛОТНОСТЬ И СОДЕРЖАНИЕ СУХОГО ВЕЩЕСТВА В ФИТОМАССЕ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОТ КМК

Качественные (квалиметрические) характеристики фитомассы березы повислой в насаждениях, примыкающих к Карабашскому медеплавильному комбинату, проанализированы методом многофакторного регрессионного моделирования. В окончательную структуру уравнений включены лишь переменные, значимые на уровне 1о5>2,0:

р и 5 = ао +ъхк +а20 + а^, (14)

где р - плотность древесины или коры в свежем состоянии, кг/м ; 5 - содержание сухого вещества (ССВ) в фракциях фитомассы, %\ к - относительная высота сечения ствола, в долях от общей высоты дерева; О - диаметр ствола на высоте груди, см; Ь - номинальная переменная, выражающая степень удаления от КМК, км. Уравнения (14) протабулированы по задаваемым значениям независимых переменных и получены соответствующие справочные таблицы.

Для ССВ ветвей и листвы рассчитаны уравнения зависимости от определяющих показателей:

5 = ао + а2£, (15)

на основе которых получены соответствующие справочные таблицы.

Таким образом, установлены статистически достоверные изменения ССВ и плотности фракций фитомассы по определяющим факторам. В направлении от основания к вершине ствола плотность как его древесины, так и коры, возрастает, а ССВ в том же направлении в древесине снижается, а в коре возрастает. По мере удаления от КМК ССВ в древесине увеличивается, а в коре несколько Снижается. Соответственно плотность в свежем состоянии как древесины ствола, так и его коры, снижается. Для ори-

ентировочных расчетов предлагаются средние значения квалиметрических показателей (табл. 10).

Таблица 10

Средние значения содержания сухого вещества во фракциях надземной

Фракции М +т ±с Число наблюдений

Содержание сухого вещества

Ствол 57,1 0,441 5,72 168

Кора 35,4 0,223 2,89 168

Ветви 53,1 0,215 2,79 56

Листва 38,4 0,200 2,60 56

Плотность древесины и ствола

Древесина ствола 884 6,91 89,6 168

Кора ствола 959 12,35 160,0 168

среднеквадратическое отклонение.

ВЫВОДЫ

1. На основе фактических данных, полученных на пробных площадях, заложенных в спелых березняках в градиенте загрязнений от КМК, установлено, что по мере удаления от КМК с 4 до 30 км фитомасса и ЧПП деревьев изменяется: фитомасса листвы, ветвей, стволов и всей надземной части дерева на контроле превышает аналогичные показатели импактной зоны соответственно на 28, 33, 9 и 12%; по показателю ЧПП деревья березы реагируют на загрязнения в большей степени, чем по фитомассе, и превышения составляют соответственно 28, 77, 70 и 44%. На статистически достоверном уровне установлено также, что в окрестностях КМК фитомасса и ЧПП березы реагируют на загрязнения в значительно большей степени по сравнению с сосной в том же градиенте (Жанабаева, 2012).

2. Анализ аллометрических уравнений зависимости фитомассы от диаметра и высоты дерева показал, что фитомасса крон и стволов равновеликих деревьев березы в степных и лесостепных районах выше по сравнению с районом КМК соответственно на 30-55 и на 4-9%, а на Среднем Урале, напротив, ниже соответственно на 7 и 3%. Поскольку фитомасса листвы березы смещена в «чистых» регионах по отношению к Карабашу в интервале от -47 до +55% и ветвей - от -28 до +43%, столь значительные региональные смещения в величине фитомассы крон равновеликих деревьев не позволяют использовать унифицированные аллометрические уравнения для определения фитомассы крон деревьев в березняках разных регионов. Смещения в оценках фитомассы стволов (от -3 до +9%) и всей надземной (от -10 до +11%) значительно меньше. Для оценки их фитомас-

сы на 1 га березняков в пределах исследованной территории с точностью ±10% предложены унифицированные модели.

3. Относительные показатели продуктивности листвы, выраженные отношением прироста площади сечения ствола к массе листвы (прямой показатель) и к площади сечения заболони (косвенный показатель), снижаются с возрастом дерева в пределах одной зоны загрязнения, а у деревь-. ев одного и того же возраста - по мере приближения к источнику загрязнений. В пределах одной зоны загрязнения оба показателя при увеличении возраста дерева с 30 до 90 лет снижаются в 3-5 раз, а при увеличении расстояния от КМК с 4 до 30 км относительные показатели продуктивности хвои возрастают на 25-44%. Включение в регрессионную зависимость относительной продуктивности листвы от возраста дерева и расстояния от КМК объемного прироста ствола вместо его площади заболони снижает коэффициент детерминации на 70%.

4. Применение обобщенных аллометрических уравнений (т.е. рассчитанных по всему градиенту загрязнений) для расчета фитомассы и ЧПП на 1 га березовых древостоев дает статистически значимые смещения по сравнению с результатами расчета на основе локальных уравнений, и следовательно, для определения фитомассы и ЧПП на 1 га в градиенте загрязнений необходимо использовать лишь их локальные уравнения.

5. Фитомасса и ЧПП древесного и нижнего (т/га) ярусов в градиенте загрязнений березовых насаждений по мере удаления от КМК резко увеличивается в диапазоне от 4-5 до 10-12 км, а при дальнейшем удалении стабилизируется. При этом происходит перераспределение участия основных компонентов нижнего яруса - подроста, подлеска и ЖНП в общей массе и ЧПП нижнего яруса: снижение доли подроста и подлеска и возрастание доли ЖНП по мере удаления от КМК. По-видимому, от выбросов сернистых соединений КМК в первую очередь поражается ЖНП, а подрост и подлесок лучше противостоят их воздействию.

6. Зависимость фитомассы и ЧПП березовых древостоев в градиенте загрязнений от индекса токсичности описана логистической кривой как нисходящей ветвью петли гистерезиса. Установлено, что переход экосистем из одного стабильного состояния (в фоновой зоне) в другое (в им-пактной зоне) происходит в интервале индекса токсичности от 20 до 80.

7. Установлены статистически достоверные изменения содержания сухого вещества и плотности фракций фитомассы деревьев березы по определяющим факторам: положению в вертикальном профиле полога, возрасту и диаметру ствола на высоте груди. Для предварительных расчетов фитомассы и ЧПП березняков, без взятия навесок от кроны и дисков от ствола для перевода фитомассы со свежего на абсолютно сухое состояние, составлены таблицы средних квалиметрических показателей.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

По списку ВАК

1. Усольцев В.А., Бергман И.Е., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жана-баева A.C., Воробейчик Е.Л., Колтунова А.И.. Изменение продуктивности хвои деревьев в градиенте промышленных загрязнений на Среднем Урале // Известия Оренбургского гос. аграрного ун-та. 2010. № 1(25). С. 40-43.

2. Борников A.B., Жанабаева A.C., Сопига В.А. Дендрометрический подход к оценке биопродуктивности деревьев под влиянием аэрозагрязнений // Естественные и технические науки. 2011. № 2. С. 123-125.

3. Усольцев В.А., Борников A.B., Жанабаева A.C., Воробейчик Е.Л., Колтунова А.И. Продуктивность ассимиляционного аппарата деревьев вблизи медеплавильных заводов Урала // Известия Оренбургского гос. аграрного ун-та. 2011. № 3(31). С. 67-70.

В прочих журналах и тематических сборниках

4. Усольцев В.А., Воронов М.П., Часовских В.П., Накай Н.В., Бергман И.Е., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жанабаева A.C. Разработка системы пространственного анализа депонирования углерода лесными экосистемами Уральского региона. Аннотационный отчет по гранту РФФИ «Урал» № 07-07-96010 // Региональный конкурс РФФИ «Урал», Свердловская область. Результаты научных работ, полученные за 2008 г. Екатеринбург: Региональный научно-технический центр, 2009. С. 252-255.

5. Усольцев В.А., Воронов М.П., Часовских В.П., Накай Н.В., Семы-шев М.М., Бергман И.Е., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жанабаева A.C. Разработка системы пространственного анализа депонирования углерода лесными экосистемами Уральского региона II Аннотационный отчет по гранту РФФИ «Урал» № 07-07-96010. Региональный конкурс РФФИ «Урал», Свердловская область. Результаты научных работ, полученные за 2007-2009 гг. Екатеринбург: Региональный научно-технический центр, 2010. С. 233-237.

6. Усольцев В .А., Накай Н.В., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жанабаева A.C., Бергман И.Е. Углерододепонирующая способность лесов: базы данных, методы оценки, география // Генетика, экология, и география ден-дропопуляций и ценоэкосистем. Екатеринбург: УрО РАН, 2010. С. 80-88.

7. Усольцев В.А., Норицина Ю.В., Борников A.B. Первичная продукция березовых насаждений Северной Евразии с элементами географического анализа // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2010. Вып. 26. С. 58-62.

8. Усольцев В.А., Борников A.B., Жанабаева A.C., Бачурина A.B. Изменение квалиметрических характеристик фитомассы деревьев сосны и березы вблизи Карабашского медеплавильного комбината // Леса России и хоз-во в них. 2010. № 3 (37). С. 30-36.

9. Усольцев В.А., Воробейник E.JL, Бергман И.Е., Борников A.B., Жанабаева A.C. Влияние промышленных выбросов на биологическую продуктивность лесных экосистем Урала // Лесная таксация и лесоустройство. Межвуз. науч.-практ. журн. 2011. № 1-2 (45-46). С. 58-69.

10. Усольцев В.А., Воробейчик Е.Л., Борников A.B., ЖанабаеваА.С., Бачурина A.B., Кох Е.В., Мезенцев А.Т., Крудышев В.В., Лазарев И.С. Реакция биопродуктивности насаждений на загрязнения от Карабашского медеплавильного комбината // Леса России и хозяйство в них. 2011. № 3

(40). С. 33-44.

И. Усольцев В.А., Борников A.B., Жанабаева A.C. Плотность и содержание сухого вещества в фитомассе насаждений вблизи медеплавильных заводов Урала // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2011. Вып. 28. С. 143-147.

12. Усольцев В.А., Борников А.В, Жанабаева A.C., Бачурина A.B. Биологическая продуктивность сосняков и березняков в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного комбината // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2011. Вып. 30. С. 96-99.

13. Усольцев В.А., Борников A.B., Жанабаева A.C., Бачурина A.B., Кох Е.В., Мезенцев А.Т., Крудышев В.В., Лазарев И.С. Изменение фито-массы и ее прироста у деревьев лесообразующих пород вблизи Карабашского медеплавильного комбината // Леса России и хоз-во в них. 2011. № 4

(41). С. 30-36.

В материалах конференций

14. Усольцев В.А., Борников A.B., Жанабаева A.C., Уразова А.Ф., Бергман И.Е. Фитомасса лесных экосистем Урала по градиентам промышленных загрязнений // Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири. Матер. V международной интернет-конференции. -Томск: Изд-во ТПУ, 2011. С. 185-188.

15. Борников A.B., Жанабаева A.C., Бачурина A.B., Усольцев В.А., Залесов C.B. Биологическая продуктивность березняков и сосняков в градиенте промышленных загрязнений в окрестностях Карабашского медеплавильного комбината // Материалы УП всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России». Ч. 2. Екатеринбург: УГЛТУ, 2011. С. 17-19.

16. Бачурина A.B., Борников A.B., Жанабаева A.C., Усольцев В.А. Изменение таксационных показателей насаждений в градиенте промышленных загрязнений в окрестностях Карабашского медеплавильного комбината // Формирование регионального лесного кластера: социально-экономические и экологические проблемы и перспективы лесного комплекса: Материалы VIII международной конф. Екатеринбург: УГЛТУ, 2011. С. 193-195.

17. Усольцев В.А., Воронов М.П., Кох Б.В., Бергман И.Е., Уразова А.Ф., Борников А.В., Жанабаева А.С., Мезенцев А.Т., Крудышев В.В. Совмещение баз данных лесоинвентаризации и первичной продукции лесов на основе статистических моделей и картирование результатов II Математическое моделирование в экологии / Материалы Второй Национальной конференции с международным участием, 23-27 мая 2011 г. Пущино: ИФ-ХиБПП РАН, 2011. С. 275-277.

18. Usoltsev V.A., Vorobeichik E.L., Bornikov A.V., Zhanabayeva A.S. Biological productivity of forests near the Ural copper smelters // Boreal Forests in a Changing World: Challenges and Needs for Actions. Proceedings of 15th ffiFRA International Science Conference. August 15-21 2011. - Krasnoyarsk: Sukachev Institute of Forest SB RAS. 2011. P. 193-197.

19. Усольцев B.A., Воронов М.П., Кох E.B., Борников А.В., Жанабаева А.С., Мезенцев А.Т., Крудышев В.В., Лазарев И.С. Неопределенности при оценке углерододепонирующей способности лесов и перспективы их устранения // Материалы Междунар. конфер. «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны». Сыктывкар: Ин-т биологии Коми НЦ УрО РАН, 2011. С.111-113.

20. Усольцев В.А., Воробейчик Е.Л., Борников А.В., Жанабаева А.С., Бачурина А.В. Биологическая продуктивность лесных экосистем Урала в градиентах промышленных загрязнений // Материалы Всероссийской научной конф. с международным участием «Отечественная геоботаника: основные вехи и перспективы. Т. 2: Экология растительных сообществ». С-Петербург: БИН РАН, 2011. С. 478-481.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с заверенными печатью подписями по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, УГЛТУ, ученому секретарю диссертационного совета Бачуриной А.В. Факс: (343) 254-62-25; e-mail: dissovet.usfeu@mail.ru.

Подписано в печать 16.02.2012. Объем 1,0 п.л. Заказ № 561. Тираж 100. 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37. Уральский государственный лесотехнический университет. Отдел оперативной полиграфии.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Борников, Александр Вячеславович, Екатеринбург

61 12-6/374

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Борников Александр Вячеславович

Специальность 06.03.02 -лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Владимир Андреевич Усольцев

Екатеринбург - 2012

На правах рукописи

Содержание

Введение. Общая характеристика работы........................................4

Глава 1. Состояние проблемы.......................................................7

Глава 2. Характеристика района исследования...............................23

2.1. Природные условия Кыштымского лесничества Челябинской области..23

2.2. Характеристика и состояние лесного фонда Кыштымского

лесничества.................................................................................31

Глава 3. Объекты, методика и объем выполненных работ......................43

Глава 4. Структура фитомассы и ЧПП деревьев березы повислой в градиенте загрязнений: анализ закономерностей и составление таксационных таблиц................................................................................51

4.1. Расчет и анализ аллометрических уравнений фитомассы и ЧПП деревьев березы и составление таксационных таблиц.........................................51

4.2. Сравнительный анализ аллометрических уравнений фитомассы деревьев

березы вблизи КМК и в «чистых» регионах........................................58

Глава 5. Продуктивность ассимиляционного аппарата березы повислой в градиенте загрязнений от КМК..................................................65

5.1. Общие положения........................... ..........................................65

5.2. Регрессионные модели и таблицы для оценки продуктивности листвы

деревьев в градиенте загрязнений от КМК..........................................65

Глава 6. Фитомасса и ЧПП естественных березовых насаждений в градиенте загрязнений от КМК.........................................................70

6.1. Структура фитомассы березовых древостоев и анализ ее связи с расстоянием от источника загрязнений.................................................70

6.2. Структура ЧПП березовых древостоев и анализ ее связи с расстоянием от источника загрязнений..............................................................76

6.3. Фитомасса и ЧПП нижнего яруса березовых насаждений и анализ их связи с расстоянием от источника загрязнений...................................82

6.4. Структура фитомассы и ЧПП березовых древостоев в градиенте загрязнений: зависимости «доза — эффект»................................................85

Глава 7. Плотность и содержание сухого вещества в фитомассе березы повислой в градиенте загрязнений от КМК....................................90

7.1. Анализ системы связей и таблицы для оценки квалиметрических показателей фитомассы стволов деревьев в градиенте загрязнений от КМК.......90

7.2. Анализ системы связей и таблицы для оценки квалиметрических показателей фитомассы крон деревьев в градиенте загрязнений от КМК...........93

Выводы...................................................................................97

Литература..............................................................................100

Приложение 1 ...........................................................................125

Приложение 2...........................................................................130

Приложение 3...........................................................................132

Приложение 4...........................................................................135

Приложение 5...........................................................................137

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К середине XX века стало очевидно, что развитие энергетики, промышленности и транспорта привело к появлению нового экологического фактора - промышленного загрязнения, оказывающего разрушительное воздействие на природные комплексы, в частности, на лесные экосистемы. В связи с проблемой стабилизации климата оценка их биологической продуктивности и углерододепонирующей способности с учетом антропогенных воздействий становится все более актуальной (Ведрова и др, 2002; Ярмишко, 2005).

На Урале одним из наиболее интенсивных источников токсичных выбросов в атмосферу является медеплавильное производство, в частности, Ка-рабашский медеплавильный комбинат (КМК) в Челябинской области. Необходимо оценить действительный продукционный потенциал насаждений, подверженных загрязнению выбросами КМК.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является оценка фитомассы и чистой первичной продукции (ЧИН) насаждений березы повислой в градиенте загрязнений от КМК.

В связи с поставленной целью конкретные задачи исследования:

• заложить в градиенте загрязнений от КМК пробные площади в количестве, необходимом для выявления закономерностей изменения фитомассы и ЧПП насаждений;

• установить закономерности изменения фитомассы, ЧПП и продуктивности ассимиляционного аппарата деревьев березы в градиенте загрязнений;

• установить закономерности изменения фитомассы и ЧПП древесного и нижнего яруса березняков в градиенте загрязнений;

• составить таблицы для определения фитомассы и ЧПП, а также квали-метрических показателей фитомассы, деревьев березы повислой в градиенте загрязнений от КМК.

На защиту выносятся следующие положения:

• характеристика биологической продуктивности березы повислой, выраженная в абсолютных и относительных количественных показателях, и закономерности ее изменения в градиенте загрязнений от КМК;

• таблицы для определения количественных показателей фитомассы и ЧПП деревьев и насаждений березы повислой в градиенте загрязнений от КМК;

• закономерности изменения плотности и содержания сухого вещества в фитомассе березы в градиенте загрязнений.

Научная новизна. Впервые дана характеристика фитомассы, ЧИП и продуктивности листвы березы повислой в градиенте загрязнений от КМК и построены зависимости биологической продуктивности березняков от степени удаления от КМК и индекса токсичности; составлены таблицы для определения количественных и квалиметрических показателей фитомассы и ЧПП деревьев березы и дан их анализ в градиенте загрязнений от КМК.

Практическая значимость работы. Результаты исследования полезны при эколого-экономической оценке воздействий на окружающую среду, оказываемых медеплавильным производством на Урале, а также при установлении предельно допустимых нагрузок на лесные экосистемы и используются Институтом экологии растений и животных УрО РАН, Институтом глобального климата и экологии Росгидромета и РАН и Уральским экологическим союзом (имеются соответствующие справки).

при анализе фактических материалов и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне регрессионных моделей определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2010, 2011); «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2011); «Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири» (Томск, 2011); «Boreal Forests in a Changing World: Challenges and Needs for Actions. 15th IBFRA International Science Conference» (Krasnoyarsk, 2011); «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны» (Сыктывкар, 2011); «Отечественная геоботаника: основные вехи и перспективы» (С-Петербург, 2011); VIII международной научно-технической конференции «Формирование регионального лесного кластера: социально-экономические и экологические проблемы и перспективы лесного комплекса» (Екатеринбург, 2011); VII всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 20 печатных работах, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В 1980 г. Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП), Программа ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП) и Всемирный фонд охраны природы (ВВФ) опубликовали Всемирную стратегию охраны природы. При подготовке этого документа впервые в глобальном масштабе были привлечены правительственные органы, общественные организации и специалисты разных стран мира. Согласно Всемирной стратегии пришло сознание ограниченности возможностей человека, поскольку его ци-вилизационные достижения не могут компенсировать губительного опустошения земли, уничтожения растений и животных, ухудшения среды обитания человека (Скотт, 1983).

В середине XX века стало очевидно, что развитие энергетики, промышленности и транспорта привело к появлению нового экологического фактора -промышленного загрязнения, оказывающего разрушительное воздействие на природные комплексы, в частности, на лесные экосистемы. К началу 1970-х гг. был накоплен значительный объем научных данных, позволяющий представить общий характер изменения естественных лесных экосистем под влиянием загрязнения и выявить некоторые механизмы воздействия токсикантов на лесные растения (Ярмишко, 2005).

Однако методические аспекты решения вопроса о влиянии загрязнений на растительный покров недостаточно разработаны, и попытки связать пространственную и временную динамику продуктивности лесов с изменением климата и атмосферными изменениями приводят сегодня к противоречивым результатам (Forest damage..., 1989; Visser, Molenaar, 1992; Kandier, 1992; Kauppi et al., 1992; Innes, 1992; Schläpfer, 1993; Elfving, Tegnhammar, 1996).

Проблема загрязнения окружающей среды стоит в ряду важнейших экологических проблем, связанных с антропогенным воздействием на биосферу (Алексеев, Дочинжер, 1981). Под загрязнением окружающей среды понимается поступление в биоту любых твердых, жидких и газообразных

веществ или энергий в количествах, вызывающих изменения состава и свойств компонентов среды и оказывающих вредное воздействие на человека, флору и фауну. В составе атмосферных выбросов в окружающую среду поступают многочисленные химические вещества и тяжелые металлы, оказывающие токсическое воздействие на живые организмы. Отраслями, наиболее всего загрязняющими среду, являются в нашей стране черная и цветная металлургия. На долю металлургии приходится около 40% выбросов вредных веществ (Черненькова, 2002; Лянгузова, 2005).

Вблизи предприятий создается зона постоянного и сравнительно высокого содержания в воздухе различных поллютантов и формируется очаг поражения (Носырев, 1962; Кулагин, 1974, 1980; Будун, 1980; Маковская и др., 1984; Махнев и др., 1990; Менщиков, 1992; Харук и др., 1996; Акимова, Хас-кин, 2001; Цветков, Цветков, 2003). Очагом поражения лесов аэротехногенными выбросами называют участок лесной растительности вокруг промышленных предприятий, на котором визуальное состояние лесных насаждений отличается от здоровых, имеющих аналогичный возраст и произрастающих в идентичных условиях за пределами техногенного воздействия. Возникающие техногенные аномалии вокруг промышленных предприятий представляют собой систему концентрических зон, объединяющих лесные массивы с близкой степенью загрязнения и повреждения и в градиенте которых концентрация загрязняющих веществ убывает от центра к периферии (Bache, 1979; Капралов, 1981; Рожков, Козак, 1989; Менщиков и др., 1990; Трубина, 1990; Махнев, Любашевский, 1991; Голиков, 2000; Суслов, 2011).

Действие аэротехногенных выбросов на растительные сообщества зависит от многих причин: состава выбросов и концентрации их в атмосфере, длительности воздействия, относительной восприимчивости популяций растений или отдельных растений к выбросам, стадии физиологического развития, в которой находится растение или его часть в момент воздействия выбросов (Bortitz, 1974). Наиболее существенными факторами являются концентрация выбросов и длительность их воздействия (Венчиков, 1962; Аль-

берт, 1971; Фоменко, Стрекалова, 1973; Николаевский, 1979; Пастернак, Ворон, 1990).

Оценка и прогнозирование ответной реакции биоты на воздействие загрязнения является важнейшей, но методически еще недостаточно обеспеченной задачей экологического мониторинга. Поэтому представленные результаты изобилуют множеством подходов и методологий (Антипов, 1975; Гальперин, Фимушин, 1975; Фимушин, 1976; Коженков, 1983; Аннука, Раук, 1984; Мартынюк, 1985; Ватковский, 1986; Армолайтис, Вайчис, 1986; Шяпе-тене, Вянцкус, 1986; Скуодене, 1988; Менщиков, 1991; Калинин и др., 1991; Shavnin et al., 1997; Фомин, 1998).

В методическое обеспечение этой задачи A.M. Мауринь и К.К. Раман (1986) включают три важнейших аспекта: разработку адекватного и малотрудоемкого метода, выбор модельных объектов и создание информационной системы сбора, хранения, обработки и распространения данных. Известно, что одно и то же воздействие на экосистему оказывает разное влияние на различные ее компоненты, и их реакция в разные интервалы времени проявляется с разной интенсивностью и направленностью. Поэтому для выявления показателей состояния и прогнозирования изменений экосистемы существенную роль играет правильный выбор наиболее характерного ее компонента, интегрально отражающего тренды всей системы.

В лесных сообществах таким компонентом является древостой как основной продуцент фитомассы и определитель их функциональной структуры. Ведущая роль этого компонента определяется его четкой реакцией на воздействие внешних факторов, способностью дерева регистрировать в своей структуре информацию об этих воздействиях и ответной реакции на них, определяемых в виде однозначных количественных оценок.

Древостой характеризуется многочисленными параметрами, поэтому важной задачей является выбор наиболее подходящего показателя, адекватно отражающего реакцию деревьев. Таким показателем является текущий прирост древесины. При обработке сеянцев ели европейской 0,05; 0,1 и 0,2 ррш

S02b течение 10 недель установлено (Keller, 1980), что с увеличением концентрации S02 уменьшается ширина годичного кольца и снижается плотность поздней древесины, хотя видимых повреждений сеянцы не имели.

В годичных кольцах древесины содержится многолетняя ретроспективная информация о динамике развития древостоя, что является необходимой основой прогноза его дальнейшего развития (Lux, 1965; Лиепа, 1980; Neumann, Schieler, 1981; Neumann, Pollanschütz, 1982; Розенберг, Феклистов, 1982; Athari, Kramer, 1983; Мауринь, Раман, 1986; Кучеров, Мулдашев, 2003).

Изучение радиального прироста важно не только для оценки продуктивности лесных экосистем при различной степени загрязнений, но и как фактическая основа для выявления эффектов внутрипопуляционной дифференциации особей, в том числе по степени устойчивости к воздействию антропогенных факторов (Гортинский, 1973; Буяк, Карпов, 1983; Горшков и др., 2006; Катюнин, Горшков, 2009). В настоящее время существует достаточно обширная литература, посвященная этим проблемам. Однако до сих пор остаются нерешенными вопросы выработки единого подхода к сбору и обработке дендрохронологической информации (Ловелиус, 1979; Шиятов, 1986; Nöjd, Kauppi, 1995; Ярмишко, 1997; Forest..., 2000; Рунова и др., 2005; Ярмишко, Ярмишко, 2004; Ярмишко и др., 2009). Более того, становится все сложнее вычленить долю естественных изменений радиального прироста деревьев от тех, которые обусловлены интенсивной деятельностью человека (Мешковский, 1984; Ловелиус, Ярмишко, 1990; Ярмишко, 1997; Ярмишко и др., 2009).

По мере удаления от источника загрязнения радиальный прирост стволов увеличивается (Барткявичюс, 1987; Кучеров, Мулдашев, 2003), причем изменение прироста в градиенте загрязнений происходит аналогично изменению индекса чистоты воздуха (Тарханов, 2011). Однако эта закономерность иногда нарушается. Так, в сосняках V-VI классов возраста, произрастающих на различном удалении от комбината «Акрон» в Новгородской области, в период с 1940-х до середины 1970-х гг. радиальный прирост в им-

пактной зоне был в 1,5-2,0 раза ниже, чем на контроле. В следующий временной отрезок с 1976 по 1984 гг. ежегодный радиальный прирост в импакт-ной зоне превышал контроль более чем на 40%, а затем ситуация опять сменилась на противоположную (рис. 1.1). В древостоях сосны III класса возраста достоверных различий в ве

Информация о работе

Борников, Александр Вячеславович
кандидата сельскохозяйственных наук
Екатеринбург, 2012
ВАК 06.03.02

Диссертация

Биологическая продуктивность березы повислой в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного комбината - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы