Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Лишайники сосновых лесов северо-запада Карелии в условиях атмосферного загрязнения

ВАК РФ 03.00.24, Микология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Фадеева, Маргарита Анатольевна, Петрозаводск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЛЕСА КАРЕЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА БОТАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. В. Л. КОМАРОВА

На правах рукописи

/ /

ФАДЕЕВА Маргарита Анатольевна

ЛИШАЙНИКИ СОСНОВЫХ ЛЕСОВ СЕВЕРО-ЗАПАДА КАРЕЛИИ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

03.00.24. - микология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук, профессор Н. С. Голубкова

Петрозаводск -1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................................................................................8

1.1. Природные условия района исследований.....................................................................8

1.2. Экологическая ситуация в районе исследований.........................................................10

1.3. Материалы и методы исследований.............................................................................12

ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИЗУЧЕННОСТЬ ЛИХЕНОФЛОРЫ

КАРЕЛИИ..........................................................................................................................17

ГЛАВА 3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИХЕНОФЛОРЫ СЕВЕРО - ЗАПАДА

КАРЕЛИИ..........................................................................................................................21

3.1. Таксономический состав, структура лихенофлоры..................................................21

3.2. Географический анализ лихенофлоры.......................................................................32

3.3. Субстратно - экотопический анализ лихенофлоры...................................................47

3.4. Редкие и охраняемые лишайники Карелии во флоре района исследований..........49

ГЛАВА 4. АТМОСФЕРНЫЕ ВЫПАДЕНИЯ В РАЙОНЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

КОСТОМУКШСКОГО ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА

(КГОКА)...............................................................................................................................50

4.1. Общая характеристика источника аэровыбросов.........................................................50

4.2. Содержание диоксида серы в приземном слое атмосферы.........................................51

4.3.Уровень загрязненности природной среды по результатам гидрохимического обследования снежного покрова...................................................................................53

ГЛАВА 5. УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭПИФИТНЫХ ЛИШАЙНИКОВ (ОБЗОР

ПУБЛИКАЦИЙ)..............................................................................................................54

5.1.Факторы, влияющие на формирование эпифитного лишайникового покрова в незагрязненных лесах...................................................................................................54

5.2.Влияние атмосферного загрязнения на жизнедеятельность лишайников. Концептуальные и методологические подходы лихеноиндикации.............................59

ГЛАВА6. ЭПИФИТНЫЙ ЛИШАЙНИКОВЫЙ ПОКРОВ СОСНОВЫХ ЛЕСОВ

В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ.................................................61

6.1 .Характеристики эпифитного лишайникового покрова сосны в

незагрязненных лесах.......................................................................................................61

6.2. Эпифитный лишайниковый покров сосны в условиях

атмосферного загрязнения..............................................................................................63

ГЛАВА 7. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЛИШАЙНИКОВ, ИХ СУБСТРАТОВ И МХОВ В РАЙОНЕ ДЕЙСТВИЯ КОСТОМУКШСКОГО ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА. ИЗМЕНЕНИЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ................................................................................................................66

7.1. Особенности минерального питания лишайников..................................................66

7.2. Элементный состав лишайников, их субстратов и мхов..........................................69

7.2.1. Зольность лишайников как показатель пылевого загрязнения...........................69

7.2.1.1. Содержание металлов в лишайниках...............................................................74

7.2.1.2. Биоаккумуляционные возможности лишайников, их субстратов и мхов.84 7.2.2.. Содержание серы в лишайниках как показатель загрязненности

воздуха диоксидом серы......................................................................................88

7.3. Кислотность субстрата (коры сосны)........................................................................92

ГЛАВА 8. ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ У

ЛИШАЙНИКОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ..........95

8.1. Проницаемость клеточных мембран................................................................................99

8.2. Содержание пигментов.................................................................................................. 99

8.3. Интенсивность дыхания..................................................................................................104

8.4. Содержание азотистых соединений...............................................................................107

8.5. Содержание вторичных лишайниковых веществ.........................................................111

ГЛАВА 9. ВЛИЯНИЕ АЭРОВЫБРОСОВ КГОКА НА РОСТ ЛИИШАЙНИКОВ...............114

9.1. Видовой состав и численность эпифитов ели ...........................................................115

9.2. Заселенность субстрата (боковых побегов ели) лишайниками..................................116

9.3. Рост лишайников............................................................................................................ 122

ВЫВОДЫ..........................................................................................................................................126

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................154

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Усиление антропогенного пресса на природную среду неуклонно ведет к снижению биоразнообразия в глобальном масштабе. Изучение флористического и фауннистического богатства регионов России, выявление видов, требующих немедленной защиты от перспективы исчезновения, входят в круг общих задач, стоящих перед специалистами по различным таксономическим группам организмов.

Лишайники в силу своих биологических особенностей наиболее уязвимы к различного рода техногенным изменениям среды обитания, прежде всего ко все возрастающему атмосферному загрязнению, которое уже привело к резкому сокращению их численности в ряде европейских стран (Питеранс, 1983, \\^ое1т, 1985, Кап^ек е1 а1., 1990, БоЬЬеп, Ваккеп, 1990, Ра11упо-шс2, 1990, Р^и^ 1990). В Республике Карелия задача сохранения естественного многообразия лишайниковой биоты осложнена тем, что флористически ее территория изучена крайне слабо. С достаточной полнотой выявлены только лишайники юга и крайнего северо-запада республики, однако и эта информация зачастую более чем полувековой давности.

Гибель лесов в результате загрязнения атмосферы начинает приобретать угрожающие размеры. В Карелии, по праву считающейся лесным краем (лесистость в среднем по республике составляет 51,3%), организация долговременных исследований по отслеживанию негативных изменений в состоянии лесных экосистем особенно актуальна (Экологическая ситуация, 1993). Ухудшение состояния лесов выявляется по опережающему повреждению популяций и сообществ эпифитных лишайников (БсЬбпЬеск, 1972, Игэка, 1986, Жидков, 1995), что успешно используется в экологическом мониторинге.

В настоящее время накоплен обширный материал по изучению деградации лишайникового покрова вокруг крупных индустриальных центров, функционирующих достаточно долго. В окружающих их лесах лишайниковый покров прошел основные ее стадии, включая образование "лишайниковой пустыни". Вместе с тем сущность явлений, происходящих в лишайниках под влиянием аэрополлютантов на ранних стадиях техногенного загрязнения, следовательно, и возможность применения используемых лихеноиндикационных параметров, почти не известна. Связано это, с одной стороны, с общими для биомониторинговых исследований трудностями выявления признаков слабых повреждений изучаемых объектов, характерных для начальных стадий поражения экосистем (Алексеев, 1982). С другой стороны, с невозможностью в ряде случаев верно интерпретировать причины повреждений, поскольку аналогичные нарушения могут быть результатом воздействия иных, не обусловленных загрязнением факторов (Чубанов, 1992).

Тем большую ценность представляют исследования, направленные на повышение надежности ранней диагностики повреждений.

Территория района исследований находится в зоне влияния Костомукшского горнообогатительного комбината (КГОКа), появившегося сравнительно недавно (1982 г.) на месте коренной тайги и ныне представляющего значительную угрозу для природы региона.

Острота проблемы усугубляется тем, что в 20 км от промплощадки КГОКа расположен Государственный заповедник "Костомукшский", призванный охранять типичные северотаежные ландшафты региона. Контроль за состоянием лихенобиоты заповедника необходим в плане оценки правомерности сохранения за его природными комплексами статуса эталонных, способных служить модельными при изучении естественного развития растительного покрова региона. Заповедник является базовым оьъектом для международных мониторинговых исследований качества природной среды Карелии.

Цель и задачи исследований. Целью настоящего исследования является изучение лихе-нофлоры северо-запада Карелии для оценки современного состояния и динамики в зоне влияния аэровыбросов КГОКа. Исходя из цели, были поставлены следующие задачи: 1) выявить состав лихенофлоры сосновых лесов северо-запада Карелии, в том числе, в Костомукшском заповеднике; 2) выявить ее характерные черты и особенности на основе таксономического, географического, эколого-субстратного анализов; 3) выявить видовой состав лишайников стволов сосен и роль конкретных видов в сложении лишайникового покрова в незагрязненных лесах; 4) определить содержание основных загрязнителей в лишайниках; 5) оценить характер и степень влияния выбросов КГОКа на физиологическое состояние, способность к заселению субстрата, рост лишайников; 6) выявить параметры состояния лишайников, пригодные для диагностики воздействия атмосферного загрязнения на лесные насаждения.

Научная новизна.Впервые выявлен флористический состав лесных лишайников северо-запада Карелии, насчитывающий 142 вида и 1 подвид из 9 порядков, 33 семейств и 59 родов. Из них 126 видов указаны для района исследований впервые. На основе применения методов вариационной статистики и комплексного подхода к проблеме впервые изучено влияние атмосферных выбросов горно-металлургического производства на состояние лихенобиоты и получены оригинальные данные по уровням и динамике накопления загрязнителей в индикаторных видах, закономерностям роста лишайников в условиях атмосферного загрязнения. Выявлены информативные лихеноиндикационные показатели ранних стадий техногенного повреждения лесных сообществ.

Практическое значение. Результаты исследований были использованы при подготовке разделов по лишайникам в Красных книгах Карелии (Красная книга Карелии, 1995), Восточной Фенноскандии (Red Data Book of East Fennoscandia, 1998), научно-справочного издания "Предварительный список лишайников Карелии и обитающих на них грибов" (Фадеева и др., 1997). Методические наработки и рабочие материалы диссертации использовались в составлении учебных программ, проведении летних практик студентов биологического факультета ПетрГУ, написании курсовых и дипломной работ.

Фактические данные, полученные в ходе исследований, вошли в базу данных состояния природной среды Карелии. Они приняты в качестве исходных для осуществления финляндско-российского проекта "Экологический мониторинг лесов Карелии, Ленинградской области и Финляндии" на базе станции интегрированного мониторинга, организованной в Костомукшском заповеднике. Результаты исследования могут быть использованы в ранней диагностике деградации лесов в районах промышленного освоения.

Положения, выносимые на защиту. 1) Флора лишайников сосновых лесов северо-запада Карелии является типично бореальной лесной флорой, характерной для ее положения в умеренной Голарктике. 2). На защиту выносится комплекс параметров состояния лишайников, информативно выявляющих атмосферное загрязнение на ранних стадиях воздействия на компоненты лесных биоценозов..

Апробация работы. Рабочие материалы диссертации докладывались на всероссийских научных конференциях: «Проблемы лесной биогеоценологии и методологические основы их решения» (Йошкар-Ола, 1992), «V конференция молодых ботаников» (С.-Петербург, 1994), «Экология и охрана окружающей среды» (Пермь, 1996), финляндско-российских научно-практических семинарах «Воздействие выбросов Костомукшского ГОКа на окружающую среду» (Кайяни, Финляндия, 1992), «Экологический мониторинг лесов Карелии, Ленинградской области и Финляндии» (Вантаа, Финляндия, 1994), на семинарах Отдела лихенологии и бриологии Ботанического института им. В.Л.Комарова РАН в 1995-96 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ.

Организация исследований, объем работ и личный вклад автора. Работа выполнена в Институте леса Карельского НЦ РАН и Ботаническом институте РАН в 1989-1995 гг. Исследования осуществлялись в рамках трех бюджетных тем ИЛ КНЦ РАН (регистр. №№ 01.880063419, 02.960006948, 01. 9.60000641). Автором разработаны методические подходы к решению проблемы, осуществлены сбор, обработка, научный анализ экспериментальных данных, сделаны обобщающие выводы. В работу вошли материалы исследований, в которых

диссертант принимал непосредственное участие и является соавтором во вышедших по их результатам публикациях.

В работе использованы гербарные материалы автора (около 1000 образцов), 1040 описаний эпифитного лихенопокрова, данные 756 элемент-определений, 252 анализов зольности, 210 определений кислотности биопроб, 5060 замеров линейных размеров талломов.

Благодарности. Руководителю диссертационных исследований д.б.н., проф. Н.С.Голубковой автор приносит самую глубокую благодарность за помощь и всестороннюю поддержку. На разных этапах работы большое значение имели консультации с.н.с. лаборатории антропогенной динамики к.б.н. В.В.Горшкова, коллектива лихенологов лаборатории лихенологии и бриологии БИН РАН. В значительной мере заслугами д.б.н. И.А.Шапиро и к.б.н. А.П.Равинской в диссертации появилась глава "Изменение физиолого- биохимических показателей у лишайников под воздействием атмосферного загрязнения". Химические анализы выполнены в отделе агроэкологии ВНИИПТИМ (г.Пушкин) и аналити- ческой лаборатории ИЛ КНЦ РАН. Помощь в статобработке данных оказали с.н.с. ИЛ КНЦ РАН Н.В.Медведев и доцент кафедры зоологии ПетрГУ А.В.Коросов. Неустанное внимание к работе проявляли И.П.Лазарева и А.А.Кучко - основатели лесного мониторинга в Карелии.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав и выводов. Работа изложена на 159 страницах, содержит 30 таблиц, 14 рисунков, 5 приложений. Список литературы включает 391 источник, в т.ч. 190 отечественных, 201 иностранных.

ГЛАВА 1. РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Природные условия района исследований Район исследования находится на северо-западе Республики Карелия между 64° 30' и 64° 50' с.ш., в непосредственной близости от государственной границы с Финляндией. Расположен на территории Костомукшского горсовета (площадью 2,6 тыс. км ), за исключением небольшой части заповедной территории, административно относящейся к Муезерскому району. Топографически находится на стыке двух возвышенностей Балтийского кристаллического щита - Маанселькя и Западно-Карельской. Преобладающими коренными породами являются гнейсы, гнейсо-граниты и граниты архейского, реже протерозойского возрастов, залегающие неглубоко и нередко выходящие на поверхность. Четвертичные отложения представлены в основном мореной и водно-ледниковыми образованиями (Бискэ, 1959). Местность расчленена в средней степени, максимальные абсолютные отметки достигают 280 м, колебания относительных высот составляют 20-170м. Преобладают денудационно-тектонические формы рельефа с характерным чередованием приподнятых кристаллических массивов (гряд) и линейных (межгрядовых) понижений, занятых болотами, озерными котловинами и долинами рек.

Район работ входит в Атлантико-Арктическую климатическую зону умеренного пояса (Алисов, 1969), где часты поступления теплых масс воздуха с Атлантического океана. Более интенсивная циклоническая деятельность наблюдается зимой и в переходные сезоны. Климат является переходным от морского к континентальному и отличается относительно мягкой зимой, коротким прохладным летом, значительной облачностью, высокой влажностью воздуха и достаточным количеством осадков в течение всего года (Романов, 1961). Число дней с отрицательной средней температурой составляет 175-185 дней в году. Сумма среднесуточных температур выше +10°С равняется 1000-1200, а продолжительность этого периода - 85-90 дней. Средняя температура воздуха, по многолетним данным Юшкозерской метеостанции, за год составляет +1° (Научно-прикладной справочник.., 1988), самого теплого месяца июля +16°, самых холодных - января и февраля, соответственно -12,3° и -12,1 °. Последний заморозок в воздухе отмечается в среднем 30 мая, а первый -10 сентября.

Среднегодовое количество осадков составляет 526 мм. Основная их масса (319 мм), выпадает в теплый период (апрель - октябрь) в виде дождей. В виде снега выпадает 142 мм и смешанных осадков - 65 мм. Динамика выпадения осадков за 1986-1990 гг. представлена в

приложении 1. Аномальным за этот период следует с