Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биологические особенности и состояние Pinus Sylvestris L. в урбанизированной среде

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Биологические особенности и состояние Pinus Sylvestris L. в урбанизированной среде"

На правах рукописи

АНГАЛЬТ Елена Михайловна

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И СОСТОЯНИЕ PINUS SYLVESTRIS L. В УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЕ (на примере г. Оренбурга)

03.02.01 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

4 ДЕК 2014

Оренбург-2014 005556216

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет».

Научный руководитель — доктор сельскохозяйственных наук, профессор

ГУрский Анатолий Акимович

Официальные оппоненты: Усольцев Владимир Андреевич -

доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

ФГБУ науки «Ботанический сад»

УрО РАН, главный научный сотрудник;

Щеглова Елена Григорьевна —

кандидат биологических наук, кафедра геологии ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», старший преподаватель

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный

аграрный университет»

Защита состоится 26 декабря 2014 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета 212.180.02 при ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет» по адресу: 460014, г. Оренбург, ул. Советская, 19; e-mail: ospu@ospu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет» и на сайте www.ospu.ru.

Автореферат разослан 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Мушинская Наталья Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях урбанизации зелёные насаждения приобретают особое экологическое и социальное значение. Часто это осознаётся лишь после уничтожения или повреждения лесов.

В результате антропогенного воздействия на лесные насаждения, расположенные в черте города Оренбурга, проявляются неблагоприятные тенденции в их устойчивости: нарушаются процессы естественного возобновления, меняется количественный и качественный состав лесной флоры и фауны, учащаются случаи возникновения лесных пожаров, что ведёт за собой постепенное ухудшение общего состояния насаждений.

Хвойные деревья часто используются при озеленении Оренбурга, но при этом в силу своих анатомических, морфологических и физиологических особенностей они сильно страдают от влияния техногенных эмиссий. Особый интерес вызывает устойчивость насаждений с участием сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), которая имеет большое значение в выполнении санитарно-гигиенических функций в городе. Деревья сосны обыкновенной, произрастающие в придорожных посадках, парках, скверах, принимают на себя газопылевые выбросы транспортных потоков и неблагоприятное изменение почвенных режимов (засоление и уплотнение почвы, недостаток в ней кислорода, повышенное содержание солей тяжелых металлов и оксидов). В результате этого идет замедление или прекращение нормального роста и развития растений.

Проблеме существования сосны обыкновенной в условиях антропогенно нарушенных территорий посвящены работы многих авторов (Кулагин, 1974; Бабушкина с соавт., 1993; Коваленко, 1996; Аникеев, 2000; Габдрахимов, 2002; Махнёва с соавт., 2003; Розломий, 2008; Соболева, 2010; Хатмуллин, 2011 и другие). Систематических исследований по изучению влияния техногенного воздействия на сосну обыкновенную в городе Оренбурге не проводилось. Необходимость иметь здесь сведения о состоянии искусственных сосновых насаждений в условиях антропогенного воздействия определила настоящую тему исследований.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является изучение биологических особенностей сосны обыкновенной, ее состояния и воспроизводства в условиях урбанизированной среды города Оренбурга.

В процессе работы по достижению поставленной цели решали нижеследующие задачи.

1. Дать биологическую оценку состояния сосны обыкновенной в условиях городской среды.

2. Исследовать биометрические и физиологические показатели сосны.

3. Изучить состояние естественного соснового возобновления и его роста под пологом сосновых и сосново-ясеневых искусственных насаждений.

4. Определить возраст кульминации (пика) годичного прироста соснового подроста по высоте и диаметру.

5. Изучить динамику экологических факторов в насаждениях, формирующихся в режиме антропогенного воздействия.

Научная новизна. Впервые в условиях г. Оренбурга проведено комплексное исследование сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающей в составе насаждений и одиночных посадках, проведены учёты результатов антропогенного воздействия на искусственные ясенево-сосновые насаждения, выявлены общие закономерности ростовых процессов соснового подроста в городских лесах г. Оренбурга.

Основные положения, выносимые на защиту:

— особенности возникновения и формирования молодого поколения сосны обыкновенной в городских лесах Оренбурга;

— особенности динамики экологических факторов в насаждениях, формирующихся в режиме антропогенного воздействия.

Практическая значимость. Результаты исследований могут служить научной основой для дальнейшей разработки практических рекомендаций по созданию лесных культур с участием сосны и мероприятий по уходу за ними, по формированию устойчивых естественных сосновых насаждений рекреационного значения.

Материалы диссертации используются при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Лесоведение», «Лесоводство», «Рекреационные леса», «Озеленение населенных пунктов», «Особо охраняемые природные территории», учебной и производственных практик в Оренбургском государственном aipapHOM университете.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области (РФ, г. Оренбург, 2002 г.), на Российской научно-практической конференции, посвященной 50-летию освоения целинных земель (РФ, г. Оренбург, 2004 г.), на региональной конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области «Наука — технологии — производство — рынок» (РФ, г. Оренбург, 2006 г.), на конференции «Студенты и аспиранты в науке — 2012» (РФ, г. Оренбург, 2012 г.), на международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (РФ, г. Тамбов, 2013 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа изложена на 143 страницах, состоит из введения, 4 глав, выводов, рекомендаций, иллюстрирована 30 таблицами, 2 рисунками и 16 приложениями. Список использованных литературных источников составляет 226 наименований, из них 11 на иностранных языках.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Гурскому A.A., доктору сельскохозяйственных наук, профессору Колтуновой А. И. и доктору сельскохозяйственных наук, профессору Авдееву В.И. за внимание и ценные советы.

1 СОСТОЯНИЕ НАСАЖДЕНИЙ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ УРБАНИЗИРОВАННЫХ

ТЕРРИТОРИЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

В главе 1 выполнен обзор работ российских и зарубежных авторов (Карпов, 1959; Артемьев, 1976; Луганская, 1978, Дмитриев, 1979; Бабинцева, Бузыкин, Владимирова, 1982; Бойченко, 1980; Гурский, 1983; Денисов, 1984; Санников, 1992; Габдрахимов, 2002; Сафонов, 2003, 2004; Платонов, 2004; Гурский, 2005; Исаев, 2009) по изучению возобновительных процессов сосны обыкновенной и осуществлен анализ особенностей роста деревьев сосны, освещённый в работах В.В. Загреева (1964,1971), В.В. Антанайтиса (1969), Л.Ф. Ипатова (1971), A.C. Лисеева (1963, 1968, 1972), A.A. Гурского (1974), A.A. Листова (1974), Е.А. Ваганова (1997), B.C. Мазепа (1999), В.И. Таранкова (2000), A.A. Танкова (2007) и других авторов.

В работе дана оценка биоиндикаторных способностей сосны обыкновенной в загрязненной среде по публикациям А.Б. Стрельцова (1980), В.П. Ско-блина (1987), А.Л. Федоркова (1994), И.В. Лебедева (1997), Л.И. Ровенской (1997), М.Д. Скарлыгиной-Уфимцевой (1999), A.M. Луговского (2004) и других.

Проанализированы нарушения репродуктивных процессов, изменения ассимиляционного аппарата, общего состояния зеленых насаждений в результате высокой техногенной нагрузки при загрязнении воздуха и почв аэрополлютан-тами в городах по работам Д.Р. Аникеева с соавт. (2000), C.B. Аксеновой с соавт. (2007), О.М. Соболевой (2009), O.A. Дегтяревой (2003), Б.Г. Майсуповой (2009), М.Г. Половниковой (2010), Т.Х. Абдулова (2013) и других авторов.

На основе детального анализа литературных данных были определены основные направления диссертационных исследований.

2 УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Природно-климатические и экологические условия г. Оренбурга

Город Оренбург расположен в степной зоне в районе слияния рек Урала и Сакмары и подвержен жёсткому воздействию комплекса природных факторов в условиях резко континентального климата, особенностями которого являются: холодная зима и жаркое, как правило, засушливое лето; большие колебания среднесуточной температуры; сильные ветры, суховеи, бураны и пыльные бури; низкая относительная влажность воздуха; недостаток влаги в почве; весенние заморозки и глубокое зимнее промерзание почвы.

Оренбуржье обладает высоким природно-ресурсным потенциалом, что привело к высокой степени антропогенной нагрузки на окружающую среду, к

негативным воздействиям на человека, росту числа хронических и онкологических заболеваний.

В России наибольшее количество загрязняющих веществ в атмосферу выбрасывает автотранспорт — 33,4 %, в Оренбурге этот показатель равен 63 %. Преобладающими веществами, которые определяют степень загрязнения воздушной среды города, являются взвешенные вещества (пыль), диоксид серы, диоксид азота, сероводород, формальдегид, оксид углерода, бенз(а)пирен, фенол, фторид водорода, кадмий, медь и свинец (Комплексный отчет о состоянии окружающей среды в Оренбургской области за 2012 г.).

Общая площадь зелёных насаждений, призванных сглаживать негативное влияние загрязнения окружающей среды, недостаточна и составляет 2207,2 га. По положению «О развитии системы зелёных насаждений в г. Оренбурге» (2007 г.) обеспеченность зелёными насаждениями в расчете на одного жителя города составляет 3,7 м2, то есть в четыре раза ниже нормы, равной 16 м2, и в шесть раз ниже предусмотренной генеральным планом города Оренбурга (21,6 м2 на 1 жителя).

Таким образом, сегодня Оренбург по совокупности экологических условий относится к городам, где влияние жизнедеятельности человека на окружающую среду и, наоборот, носит угрожающий характер, что в свою очередь требует серьезных предупредительных мер по восстановлению экологического баланса территории.

2.2 Объекты и методики исследования, объем выполненных работ

Объектами исследований являлись городские насаждения Оренбурга, в частности: лесные фитоценозы урочища Качкарский мар (восточная часть города), которые представляют собой в основном сосново-ясеневые и чистые сосновые посадки 1961—1969 гг., а также линейные и одиночные посадки сосны вдоль автодорог по пр. Гагарина, ул. Чкалова, пр. Победы, пр. Дзержинского, ул. Родимцева (рис. 1).

Изучение состояния деревьев осуществлялось в соответствии с «Правилами санитарной безопасности в лесах РФ» (2007). При обследовании шишек и семян использовали методику Л.Ф. Правдина (1964) и действующие ГОСТы. Физиологические показатели хвои: содержание хлорофилла, интенсивность дыхания и активность каталазы исследовали по общепринятым в физиологии растений методикам (Ермаков, 2007).

Для изучения особенностей роста сосны и естественного возобновления в лесном массиве Качкарский мар заложено 13 постоянных пробных площадей (ПП). На 6 пробных площадях совместно с Оренбургским лесничеством проведено удаление ясеневого полога, при этом использовано две группы вариантов опыта:

1 группа: пробная площадь 1 (ПП 1) — контроль; пробная площадь 2 (ПП 2) -удаление ясеневого полога через ряд; пробная площадь (ПП 3) — полное удаление ясеневого полога.

2 группа: пробная площадь 4 (ПП 4) — контроль; пробная площадь 5 (ПП 5) — подсушивание деревьев ясеня путем снятия коры и камбия до высоты 1 м; пробная площадь 6 (ПП 6) — спиливание деревьев ясеня на высоте 1 м.

Закладка пробных площадей проводилась в соответствии с ОСТом 56-69-83 «Площади пробные, лесоустроительные. Методы закладки» и методическими рекомендациями по закладке пробных площадей в лесных культурах (Огиев-ский, Хиров, 1974).

Рисунок 1 — Расположение объектов ( О ) исследования

Учёт естественного возобновления проведён по методике A.B. Победин-ского (1966). На пробных площадях на равном расстоянии друг от друга закладывались перпендикулярные к направлению ряда трансекты длиной 30 м, шириной 2 м. Учитывался весь подрост с разделением его на три высотных группы: до 0,5 м — мелкий; 0,51 — 1,5 м — средний; 1,51 м — 3 м — крупный, а также молодняк, к которому относились деревья высотой 3,1 — 4 м и выше, диаметром более 10 см, возрастом более 20 лет. По качественным признакам подрост до рубки учитывался с разделением его на три категории: жизнеспособный, нежизнеспособный, сухостойный.

Для изучения хода роста в высоту на каждой пробной площади были взяты по 45 — 50 модельных деревцев сосны из каждой категории крупности. У каждого деревца был измерен прирост в высоту по годам. Для изучения хода роста по диаметру были произведены спилы 10 модельных деревцев из каждой категории крупности. Спил производился у основания шейки корня. Величина радиального прироста определялась с помощью измерительной лупы и штангенциркуля.

Для изучения изменения экологических факторов были проведены микроклиматические исследования на основе методов, разработанных В.А. Алексеевым (1969), A.B. Побединским (1966), A.A. Молчановым (1965) на шести постоянных пробных площадях (ПП 1—6) при разработке способов ухода в них.

При статистической обработке материалов использовали общепринятые методы вариационной статистики (Зайцев, 1984).

В диссертации обобщены материалы, полученные в период с 2002 по 2012 гг. при проведении стационарных исследований. Всего было заложено 13 постоянных пробных площадей, обследовано 478 деревьев, собрано 600 образцов хвои, около 1,5 тысяч образцов шишек и 300 средних образцов семян сосны. Распределение подроста по категориям крупности, состоянию и росту обследовано на общей площади 11700 м2. В ходе микроклиматических исследований сделано 1,9 тыс. замеров температуры воздуха, 1,1 тыс. замеров освещенности, 2,2 тыс. замеров температуры почвы, взято 540 образцов почвы для измерения влажности.

3 БИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

3.1 Состояние сосны обыкновенной в г. Оренбурге

При обследовании насаждений урбанизированных территорий в городе нами отмечено ухудшение их общего состояния. По причине интенсивной рекреации на многих участках городских лесов наблюдается сильное уплотнение почвы, нарушение её структуры, заметное снижение фильтрации и доступа воздуха, увеличение стока и испарения влаги, уменьшение скорости впитывания воды. Все это приводит к выпадению из фитоценоза отдельных видов растений,

а в дальнейшем - к распаду и гибели всей экосистемы. В результате воздействия пирогенных факторов на месте лесной растительности образуются прогалины площадью до 2—3 га, заросшие злаками.

По данным лесоустройства (1986 г., 1996 г.) и наших исследований (2002-2012 гг.), на большей части лесных участков видна тенденция ухудшения таксационных и рекреационных показателей: класс бонитета (производительность насаждения) снижается на 0,45 - 1,15; эстетическая оценка на 0,5- 1 балл; рекреационная оценка снижается с высокой до низкой; дигрессия вступает в завершающую стадию.

Во внутригородских сосновых насаждениях наблюдается суховершинность крон у 88 % растущих деревьев, обнаружены многие виды энтомовредителей (черный сосновый усач, шестизубый короед) и болезней (мучнистая роса, смоляной рак, сосновый вертун).

3.2 Анализ биометрических показателей сосны

В целях выявления относительного состояния сосны нами исследованы показатели придорожных посадок деревьев и максимально удаленного от дороги (2 км) участка массива Качкарский мар.

Выявлено, что все деревья, произрастающие вдоль автодорог, имеют ту или иную степень повреждения: ослаблены — 13 %, сильно ослаблены — 60 %, усыхают — 20 %, сухостой — 7 %. На ветвях присутствует только однолетняя хвоя, повсеместно присутствуют хлорозы и частично некрозы, прирост боковых и центральных побегов за последние несколько лет минимален, в среднем составляет 2 — 3 см.

Среди обследованных в урочище Качкарский мар деревьев сосны обнаружено 3 % ослабленных, выявлено 25,4 % хвои с наличием некротических пятен.

При анализе биометрических параметров, установлено, что диаметр деревьев в придорожных посадках в 2 раза ниже диаметра в насаждении, где он равен 15,3 см. Для деревьев, произрастающих в зоне выбросов автотранспорта, характерна слаборазвитая крона, значительно меньшая высота, в среднем она составляет 6,2 м, что соответствует пятому классу бонитета и свидетельствует о низкой производительности городских почв.

Таблица 1 — Биометрические параметры хвои

Показатели Придорожные посадки Лесной массив

М±т М±т к%

Масса хвоинки, мг 0,09±0,02 7Д2 0,11 ±0,02 17,82

Длина хвоинки, см 5,78±0,23 7,99 6,70 ±0,23 4,23

Число пар хвоинок, шт. на 1 см побега 12,10 ±0,35 5,80 10,13± 0,40 2,94

Результаты биометрического анализа хвои (табл. 1) демонстрируют достоверное снижение всех показателей у деревьев, произрастающих в придорожных посадках по сравнению с насаждением. Исключение составляет показатель числа пар хвоинок на 1 см побега, их число увеличивается, что может говорить об эффекте ксерофитизации, вызванном выбросами автотранспорта.

3.3 Оценка параметров шишек и качества семян сосны

Выявлено снижение параметров шишек, собранных с деревьев в зоне выбросов автотранспорта: длина — на 6, толщина — на 13, вес — на 10 %, что говорит об ухудшении снабжения питательными веществами почек с зачатками макростробилов у ослабленных деревьев (табл. 2).

Таблица 2 — Биометрические параметры шишек сосны

Показатели Придорожные посадки Лесной массив

М±т к% М±т к%

Длина шишки, см 3,84±0,14 7,13 4,08±0,04 5,09

Толщина шишки, см 1,81±0,05 14,42 2,07±0,08 13,09

Вес шишки, г 4,19±0,47 13,18 4,66±0,42 9,23

Число семян в шишке, шт. 12,59±1,81 3,25 18,98±1,53 0,90

Относительно данных, взятых в целом по лесничествам области (Гурский, 2010), выявлено снижение веса шишки в 2,5 раза. Принимая во внимание то, что в благоприятных условиях количество семян в одной шишке составляет 30—50 штук (Правдин, 1964), делаем вывод о низкой семенной продуктивности сосен на исследуемых нами объектах.

Таблица 3 — Показатели качества семян сосны

Показатель Придорожные посадки Лесной массив

М± т к% М±т к%

Вес 1000 штук, г 3,60±0,27 5,09 4,10±0,89 9,23

Полнозернистость, % 50,37±0,64 3,91 78,35±1,01 3,01

Всхожесть, % 65,55±1,18 3,21 81,32±1,27 1,21

Энергия прорастания, % 56,23±1,12 4,02 66,28±1,42 1,46

Данные таблицы 3 говорят о статистически достоверном снижении качества семян сосны обыкновенной в придорожных посадках (Р > 0,95). Выявлена положительная, но невысокая корреляция между длиной шишки и выходом семян (г = 0,40). Более тесно коррелирует с выходом семян масса одной шишки (г = 0,46; Р> 0,95).

Вес 1000 штук семян у деревьев, произрастающих в лесном массиве, близок к минимальному показателю в природных популяциях и равен 4,1 г (по B.JI. Че-репнину (1980) 4,0-8,9 г). В придорожных посадках эта величина снижается в 1,2 раза. Энергия прорастания семян, собранных с этих деревьев, снижается по сравнению с энергией прорастания семян, собранных в насаждениях лесного массива, на 15,2, всхожесть - на 19,4 и полнозернистость - на 35,7 %. Принимая во внимание данные таблиц 2 и 3, выявляем количество потенциально жизнеспособных всходов сосны в расчете на 1 шишку. Этот показатель должен быть в 2,5 раза выше в лесном массиве, чем в зоне основных выбросов автотранспорта. Однако в реальных условиях разница будет возрастать вследствие сильной загрязнённости городских почв и меньшего количества участков, пригодных для появления всходов.

3.4 Физиологические показатели хвои сосны

При изучении основных физиологических показателей хвои сосны выявлено достоверное снижение всех параметров у деревьев, произрастающих возле автодорог (табл. 4).

Таблица 4 — Физиологические показатели хвои сосны

Показатель Осень Зима Весна Лето

Придорожные посадки Лесной массив Придорожные посадки Лесной массив Придорожные посадки Лесной массив Придорожные посадки Лесной массив

Количество хлорофилла, % на сырое вещество

Х± т 0,19 ± 0,02 0,61 ± 0,03 0,17 ± 0,01 0,58 ± 0,03 0,22 ± 0,02 0,60 ± 0,04 0,34 ± 0,02 0,62 ± 0,04

V,% 8,7 6,2 10,1 6,3 8,9 7,0 8,1 5,9

Интенсивность дыхания, мг С02 на 1 г в 1 ч

Х± т 4,81 ±0,32 3,92 ± 0,19 0,61 ± 0,04 0,41 ± 0,03 4,36 ± 0,24 3,76 ± 0,14 8,42 ± 0,36 6,39 ± 0,45

V, % 7,7 5,7 7,8 8,6 6,4 4,1 4,9 8,1

Активность каталазы, мл 0,1 н. КМп04 на 1 г в 1 ч

Х± т 2,2 ± 0,2 5,3 ± 0,4 2,3 ± 0,2 3,9 ± 0,8 3,4 ± 0,3 5,8 ± 0,3 6,2 ± 0,9 7,9 ± 0,4

к% 8,0 9,5 4,5 10,8 5,6 10,3 9,4 6,4

В динамике количества хлорофилла в хвое сосны наблюдается сезонная изменчивость. Наибольшее количество хлорофилла содержится летом, наименьшее — зимой. Соотношение между зимним минимумом и летним максимумом в придорож-

ных посадках равно 1:2; в городском лесном массиве количество хлорофилла по сезонам года меняется в пределах 0,58—0,62 %. Загрязнение воздуха снижает содержание хчорофилла, что свидетельствует о большей чувствительности пораженной хвои к влиянию зимнего стресса. Различия по содержанию хлорофилла между показателями в придорожных посадках и лесном массиве составляют 45—71 %.

Интенсивность дыхания хвои в придорожных посадках выше по всем срокам наблюдения, что косвенно указывает на напряженность процессов обмена в органах растения. В зоне выбросов автотранспорта по сравнению с деревьями в насаждениях отмечается снижение активности фермента каталазы (на 58 %).

4 СОСТОЯНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗОБНОВЛЕНИЯ СОСНЫ ПОД ПОЛОГОМ НАСАЖДЕНИЙ

Биологическая эффективность естественного возобновления очень высока, так как при этом формируются перспективные в генотипическом отношении популяции, имеющие повышенную устойчивость к неблагоприятным факторам среды, что очень важно для лесной экосистемы, формирующейся в сложных городских условиях.

4.1 Оценка состояния соснового подроста

На территории урочища Качкарский мар под пологом ясенево-сосновых насаждений наблюдается значительное количество подроста сосны (табл. 5), основная часть которого жизнеспособна (74 %). Выявлено, что его появление и развитие в первую очередь обусловлено сомкнутостью и полнотой насаждения, а во вторую — количеством сосны в составе древостоя (табл. 5).

Таблица 5 — Количество соснового подроста в зависимости от некоторых таксационных характеристик

Показатели Пробная площадь (номера даны в порядке увеличения доли сосны в составе древостоя)

2 3 13 11 4 9 12 8

Состав древостоя 10Яз+С 9Яз1С 8Яз2С 4С6Яз 5СЗБ2Яз 6С4Яз 8С2Яз ЮС

Полнота 0,5 0,6 0,7 0,5 0,7 0,7 0,8 0,8

Сомкнутость 0,4 0,4 0,5 0,4 0,5 0,6 0,6 0,7

Количество подроста* 39,5 91 35,3 95 39,6 91 43,6 100 40,1 92 34,0 78 12,3 28 0,9 2

* Числитель - тыс. шт./га, знаменатель - % от наибольшего количества

Наибольшее количество подроста - 43,6 тыс. шт./га на ПП11, где доля участия сосны в составе 40 %. Здесь сомкнутость полога 0,4 и полнота древостоя 0,5 являются оптимальными по освещённости для произрастания подроста. Наименьшее количество подроста - 0,9 тыс. шт./га обнаружено в чистом сосняке (ПП 8), так как здесь складываются менее благоприятные условия для прорастания семян и развития всходов из-за более высокой полноты (0,8) и сомкнутости (0,7) древостоя, а также сформировавшейся плотной подстилки из неразложившейся хвои.

На исследуемых пробных площадях преобладает крупный подрост (56,8%), на втором месте средний (22,9%), затем мелкий (11,9%), доля молодняка составляет 8,4%.

4.2 Особенности развития соснового подроста по высоте и диаметру

Исследования роста сосны проводились на трех пробных площадях: ПП 11, ПП 12, и ПП 13, так как они отличны друг от друга по составу, полноте и сомкнутости. Анализ годичного и общего прироста показал его динамичность по годам и категориям крупности (рис. 2, 3).

Выявлено, что на всех трёх пробных площадях интенсивность роста среднего и мелкого подроста ниже, чем крупного и молодняка, в результате его большего затенения и, как следствие, угнетения. Наибольшие отличия между ростом молодняка и подроста отмечены на ПП 13, наименьшие - на ПП 12.

В течение исследуемого периода наблюдается практически равномерный рост по диаметру, по всей окружности ствола по годам с незначительными колебаниями, что, по данным некоторых авторов (Рпйз, 1966; и др.), говорит о благоприятных условиях для роста подроста. Чётко прослеживается влияние полноты на прирост по высоте, особенно у молодняка: на ПП 11, где полнота меньше (0,5), прирост максимален, на ПП 12 с большей полнотой (0,8) прирост минимален. Менее выражены закономерности влияния полноты и сомкнутости на прирост по диаметру.

Выявлено снижение годичного прироста по высоте и диаметру на следующий год после проведённых работ по удалению ясеневого полога (2004 г.), а также в год, следующий за годом пожара (2007 г.).

При уходе за лесом без второго яруса возраст его начала должен устанавливаться по кульминации прироста подроста, а при уходе в молодняках - по кульминации прироста этих деревьев.

Нами определены лимит и среднее значение кульминации прироста по высоте: по диаметру:

мелкий подрост - 6 - 7 (6,5) лет, мелкий подрост - 4 - 8 (6) лет, средний подрост - 7 -10 (8,5) лет, средний подрост - 6 - 9 (7, 5) лет, крупный подрост - 10-12 (11) лет, крупный подрост - 7 - 10 (8, 5) лет, молодняк -12-13 (12,5) лет; молодняк -10-14 (12) лет.

В целом прирост подроста и молодняка имеет общую тенденцию увеличения возраста кульминации от мелкого к крупному.

Средний

Крупный

Крупный

см Крупный

см Молодняк

Молодняк

см Молодняк

годичный прирост, СМ

ГОД

- общий прирост, СМ

Рисунок 2 - Годичный и общий прирост соснового подроста по высоте, см

пли

ПП12

см Средний

см Средний

о'

и

см Крупный

год

см Крупный

12 -----------------

10- •

год

см Молодняк

Молодняк

см Крупный 12

¡¡¿З годичный прирост, см -о- общий прирост, см

Рисунок 3 - Годичный и общий прирост соснового подроста по диаметру, мм

см Молодняк

4.3 Анализ результатов антропогенного влияния на насаждения сосны

Из-за своеобразия в росте и формировании древостоя искусственно созданные насаждения в течение всей своей жизни нуждаются в уходе (Макаренко, 1983). При чрезмерном загущении деревьев в лесных культурах часто создается напряженный водно-питательный режим (Гурский, 1983), поэтому здесь необходимо проводить изреживание полога.

В нашем случае, кроме этого, происходит нарушение светового режима, ясеневый полог задерживает от 87,5 (при сомкнутости 0,7) до 55,3 % (при сомкнутости 0,4) светового потока; в большинстве случаев происходит механическое повреждение подроста — охлёстывание верхушечных и боковых побегов сосны ветвями ясеня, что вызывает повреждение и обламывание хвои и почек.

В первый год после проведённого удаления ясеневого полога по двум вышеназванным группам вариантов (см. объекты исследований), выявлено следующее (рис. 4).

50

ПП1 ПП2 ППЗ ПП4 ПП5 ПП6

И до удаления полога Н после удаления полога

Рисунок 4 — Количество подроста до и после удаления полога, тыс. шт. на га

Первая группа вариантов. Полное удаление ясеневого полога на ПП 3 приводит к гибели большого количества подроста сосны — 37 %.

Установлено, что количество сухостоя увеличивается на 9,5 тыс. шт./га (в 4,3 раза), отпад составляет 18 %. Причиной считаем резкое изменение микроклиматических условий в зимний период. Происходит выдувание снежного покрова под пологом, зимнее иссушение побегов и последующая гибель всего растения. На ПП 2 при частичном оставлении ясеня процент гибели соснового подроста не столь высок — 9 % , при этом 1,8 тыс. шт./га идёт в отпад, а 3,6 тыс. шт./га переходит в категорию сухостоя. На контрольной пробной площади происходит процесс естественного изреживания: отпад деревцев сосны составляет 0,2 тыс. шт./га.

Вторая группа вариантов. Подсушивание и частичное изреживание крон ясеня дает незначительный процент отпада живого подроста сосны: 2 % — на ПП 5 и 4,5 % - на ПП 6.

Полное или частичное удаление древесного полога воздействует на режим экологических факторов в лесу и тем самым влияет на изменения индивидуальных условий роста и развития каждого дерева. Микроклиматический анализ позволяет установить его влияние на возобновительные процессы в лесу.

Распределение солнечной радиации по пробным площадям после удаления полога значительно различается (рис. 5). Освещенность на контроле составляет 12— 13 тыс. люкс (16 % от освещенности открытого места). На ПП 2 освещенность в среднем в 2,8 раза больше, чем на контроле (37,3 тыс. люкс), а на ПП 5 она увеличивается в 1,4 раза. Полное удаление крон ясеня на ПП 3 и ПП 6 привело к резкому увеличению освещенности, интенсивность которой с 12.00 ч до 14.00 ч составила 69,6 — 72,4 тыс. люкс, т.е. 84—86 % от освещенности открытого места.

После удаления крон температура воздуха в приземном слое и на высоте 1,3 м на опытных площадях выше, чем на контроле по всем срокам наблюдения (рис. 6). Наиболее заметное повышение температуры на ПП 3 на 3,8 °С отмечено в июне (14 %).

Полное удаление крон ясеня оказывает довольно существенное влияние на изменение температуры воздуха: на ПП 3 температура увеличивается на 9— 14 %, на ПП 6 — на 8— 11 %. Оставление крон на пробных площадях 2 и 5 не

8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 Время дня, час

ЕЗ пп 5 ВЭпп2 И пп 6 Нппз Рисунок 5 — Отклонение освещенности на опытных пробных площадях от контроля, тыс. люкс

И Июнь ВИЮЛЬ И Август е Июнь а Июль 9 Август

Рисунок 6 — Отклонение температуры воздуха на опытных пробных площадях от контроля, °С: А — на высоте 1,3 м; Б — на поверхности почвы

приводит к значительному изменению подпологовой температуры: она увеличивается в отдельные сроки на 2- 6 %. Разница между температурой воздуха на поверхности почвы и на высоте 1,3 метра составляет 0,2°С. Отмеченные закономерности подтверждаются результатами двухфакторного дисперсионного анализа. Влияние варианта изреживания и времени наблюдения по всем показателям достоверно (Р > 0,95).

-0,5 -

Б

и

ПП2 ППЗ ПП5

ВИюнь ЯИюль ПАвгуст

ПП6

ПП 2

ПП 3

ПП 5

ПП 6

□ Июнь В Июль ПАвгуст

□ Июнь ИИюль ПАвгуст

Рисунок 7 — Отклонение температуры почвы на опытных

пробных площадях от контроля, °С: А — на глубине 10 см; Б — на глубине 20 см; В — на глубине 30 см

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Глубина взятия образца,см а пп2 вппЗ в пп5 0 ппб

Рисунок 8 - Отклонение влажности почвы на опытных пробных площадях от контроля, %

Отклонения температуры почвы от контроля на опытных пробных площадях практически везде положительные (рис. 7). Наибольшие различия отмечены в верхних горизонтах почвы, с глубиной они сглаживаются. При частичном изреживании полога (ПП 2) температура почвы повышается на 1-2 °С (до 10 %), при полном удалении (ПП 3 и ПП 6) - до 3,3 °С (15 %). При оставлении крон на ПП 5 различия с контролем недостоверны (Р < 0,95).

Динамика влажности почвы по вариантам опыта различна (рис. 8). На ПП 3 отклонения от контроля везде отрицательные, тогда как на ПП 2 и ПП 6 идет незначительное накопление влаги с глубиной. Различия с контролем достоверны на ПП 2 и ПП 3 (Р > 0,95).

ВЫВОДЫ

1. Состояние сосны обыкновенной в урбанизированной среде г. Оренбурга неоднозначно и зависит от условий местопроизрастания и интенсивности антропогенного воздействия.

2. Деревья сосны обыкновенной, произрастающей в зоне непосредственного влияния автотранспорта, значительно ослаблены. Негативное влияние урбанизированной среды в большой степени сказывается на исследуемые характеристики хвои, шишек и семян. Основные признаки ослабления: сокращение прироста побегов в 2 - 3 раза, снижение массы хвои в 1,2 раза, продолжительности ее жизни до одного года, снижение всхожести семян на 19 %, энергии прорастания семян на 15 %. Количество хлорофилла в хвое деревьев, произрастающих вдоль дорог, минимально и колеблется в течение года от 0,17 % зимой до 0,34 % летом; в насаждении, принятом нами зоной условного контроля, количество хлорофилла оптимальной лежит в пределах 0.58-0,62 %. Интенсивность дыхания у деревьев,

произрастающих в зоне загрязнения воздуха автотранспортом, увеличивается в 1,2-1,5 раза, а активность катал азы снижается в среднем на 58 %.

3. В городских лесах, рассмотренных на примере урочища Качкарский мар, под пологом искусственных ясенево-сосновых насаждений наблюдается успешное естественное возобновление сосны обыкновенной. Максимум возобновления сосны - 43,6 тыс. шт./га отмечен на пробной площади, где доля участия сосны в составе древостоя составляет 4 единицы, сомкнутость — 0,4, полнота - 0,5. Основная часть соснового подроста жизнеспособна (74 %), но требует своевременного ухода: осветления, уборки сухостоя, больных и зараженных энтомовредителями деревцев. Таким образом, увеличение покрытых лесом площадей г. Оренбурга возможно не только путём создания дорогостоящих и трудоемких искусственных насаждений, но и своевременным уходом за существующим молодым поколением сосны.

4. Результаты исследований показывают, что интенсивность роста среднего подроста ниже, чем более крупного, в результате его большего затенения и, как следствие, угнетения. В возрасте молодняка достаточно чётко прослеживается влияние полноты на прирост по высоте. У среднего подроста с возрастом прирост по высоте увеличивается, а у крупного, напротив, с возрастом прирост по высоте уменьшается. По диаметру на исследуемых пробных площадях максимальный прирост отмечается у молодняка, т. е. на него полнота (сомкнутость) оказывает наименьшее влияние, что связано с большим возрастом и размером молодняка по сравнению с подростом. Таким образом, в целом выявлена зависимость роста подроста и молодняка от его крупности, а также полноты и сомкнутости древостоя.

5. В лесном массиве Качкарский мар созданы экспериментальные участки для проведения мер ухода за подростом. Применялись разные варианты изреживания древесного полога, в результате чего (спустя 2 года) выявлено следующее. Удаление ясеневого полога через ряд играет определенную положительную роль: у большинства молодых деревцев сосны отмечается значительное увеличение прироста в высоту, уменьшение признаков охлёстывания, улучшение процесса дифференциации. Полное удаление ясеневого полога отрицательно влияет на жизнеспособность подроста: происходит зимнее вымерзание и иссушение побегов текущего года и последующая гибель всего растения (усыхание 44 % деревцев). Таким образом, выбор такого варианта ухода нельзя признать удовлетворительным. После проведения третьего варианта — подсушивания деревьев ясеня в первые годы заметного лесоводственного эффекта не наблюдается. Удаление кроны с оставлением части ствола даёт положительный результат, который заключается в увеличении притока солнечного света под полог древостоя с одновременным затенением нижнего яруса. Все это приводит к активизации процесса дифференциации деревцев, повышению прироста по высоте. Вместе с этим здесь происходит не столь значительное, по сравнению с вариантами с полным удалением полога, усыхание подроста (4,5 %).

6. Выявлено существенное изменение микроклиматических условий на пробных площадях с полным удалением ясеневого полога (ПП 3 и ПП 6). Отклонение интенсивности светового потока от контроля достигает здесь 60 тыс. люкс, что ведёт за собой закономерно большее прогревание воздуха на 2,5 — 3,8 °С и почвы на 1,9—2,6 °С. Динамика влажности почвы по группам вариантов опыта неоднотипна. На ПП 3 происходит иссушение почвенного слоя, тогда как на ПП 2 и ПП 6 идет незначительное накопление влаги с глубиной.

Практические рекомендации

1. При озеленении городов использовать групповые посадки сосны обыкновенной в сочетании с лиственными деревьями и кустарниками на достаточном удалении (1 — 1,5) км от автомобильных дорог, имеющих интенсивный уровень движения.

2. При реконструкции зеленых насаждений в придорожных посадках проведение работы должно заключаться в постепенной и последовательной замене деревьев сосны на более устойчивые к атмосферному загрязнению виды деревьев и кустарников.

3. Создавать смешанные ясенево-сосновые лесные культуры защитного, рекреационного и средостабилизирующего значения с участием доли сосны в составе древостоя от 10 до 40 %, не допуская при этом перегущения ясеня.

4. При появлении под пологом ясенево-сосновых насаждений соснового подроста в количестве 1 тыс. шт./га и выше с целью предотвращения его охле-стывания и затенения следует проводить поэтапное удаление ясеня. Рекомендуемый возраст проведения лесохозяйственных мероприятий для мелкого подроста — 6 лет; среднего — 8 лет; крупного — 9 лет; молодняка — 11 лет.

5. Проводить осветления в загущенных ясенево-сосновых насаждениях с наличием более 70 % жизнеспособного соснового подроста путем удаления рядов ясеня с обязательным оставлением одного-двух рядов, так как удаление одновременно всего древесного полога может привести к гибели 20 — 25 % молодых деревцев сосны, не способных адаптироваться к внезапному изменению изначально сложившегося биогеоценоза и, как следствие, резко изменившимся микроклиматическим условиям.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Ангальт, Е.М. Оценка изменения некоторых физиологических показателей хвои сосны в городских лесах / Е.М. Ангальт // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2006. — № 13 (63). — С. 112-113.

2. Ангальт, Е.М. Анализ прироста соснового подроста и молодняка в сосново-ясеневых культурах / Е.М. Ангальт, НА. Жамурина // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2013. — № 6 (44). — С. 31-34.

3. Ангальт, Е.М. Биологический анализ хвои, шишек и семян сосны обыкновенной в условиях городской среды / Е.М. Ангальт, H.A. Жамурина // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2014. — №3(47).-С. 156-158.

Публикации в журналах, сборниках и материалах конференции

4. Ангальт, Е.М. К оценке состояния лесов г. Оренбурга / Е.М. Ангальт // Региональная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов Оренбургской области: сборник материалов. — Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2002. - 192 с.

5. Ангальт, Е.М. Некоторые закономерности изменения экологических режимов в насаждениях городскихлесов Оренбурга/A.A. Гурский, Е.М. Ангальт // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2005. — №5.-С. 91-93.

6. Ангальт, Е.М. Зеленые зоны города Оренбурга и проблемы их ландшафтного улучшения / Е.М. Ангальт, З.Г. Паранюшкина, А.Ак. Гурский // Социально-экономические, политические и экологические проблемы в лесном хозяйстве России и стран СНГ: история и современность: материалы международного симпозиума. Часть II. — Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2004.-С. 359-364.

7. Гурский, A.A. Состояние и проблемы городских лесов г. Оренбурга / A.A. Гурский, Е.М. Ангальт // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2007. — № 3 (15). — С. 44 — 46.

8. Ангальт, Е.М. Возобновление сосны обыкновенной под пологом насаждений в урочище Качкарский мар / Е.М. Ангальт // Студенты и аспиранты в науке — 2012: материалы VI научно-практической конференции. — Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2013. — С. 6 —10.

9. Ангальт, Е.М. К вопросу изменения освещенности в результате опытных рубок ясенево-соснового полога в городских лесах г. Оренбурга / Е.М. Ангальт // Перспективы развития науки и образования: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. — Министерство образования и науки РФ. — Тамбов: ТРОО «Бизнес — Наука — Общество». - 2013. - Часть 8. - С. 19-20.

Ангальт Елена Михайловна

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И СОСТОЯНИЕ PINUSSYLVESTRISL. В УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЕ (на примере г. Оренбурга)

03.02.01 - ботаника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано в печать 23.10.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Печать трафаретная. Заказ № 7454. Тираж 100 экз.

Издательский центр ОГАУ 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18 Тел.:(3532)77-61-43