Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Морфофизиологическая оценка состояния сосновых молодняков в зоне действия атмосферных загрязнений Первоуральско-Ревдинского промышленного узла

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "Морфофизиологическая оценка состояния сосновых молодняков в зоне действия атмосферных загрязнений Первоуральско-Ревдинского промышленного узла"

На правах рукописи

Фомин Валерий Владимирович

Морфофизиологическая оценка состояния сосновых молодняков в зоне действия атмосферных загрязнений Первоуральске- Ревдинского промышленного узла

06.03.03 - Лесоведение и лесоводство; лесные пожары и борьба с ними

У \

Автореферат на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена в Уральской государственной лесотехнической

академии

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор С. А. Шавнин;

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент С. В. Залесов Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

С. Г. Шиятов;

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент А. В. Капралов

Ведущее предприятие: кафедра экологии Уральского государственного университета

Защита состоится 11 июня 1998 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.063.35.01 Уральской государственной лесотехнической академии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан мая 1998 г.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 620032 г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, Уральская государственная лесотехническая академия. Ученому секретарю специализированного совета

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент ^ <Г7_ С. В. Залесов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Возрастающее антропогенное воздействие на кружающую среду, выражающееся в увеличении уровня загрязнения ат-юсферы промышленными эмиссиями, экстенсивном лесопользовании, силении рекреационной нагрузки приводит к появлению существенных арушений динамики развития насаждений основных лесообразующих по->од. Одной из важнейших задач в проблеме защиты лесов является задача бъективной оценки состояния древостоев, расположенных на территори-х, примыкающих к промышленным центрам. Оценка ущерба, наносимого эропромышленными загрязнениями, определение размеров компенсации а ущерб, направленность и характер мероприятий по повышению устой-ивости лесных насаждений должны базироваться на точной и объектив-[ой информации о состоянии древостоев. Одним из наиболее перспективных подходов в решении данной проблемы является комплексное исполь-ование морфометрических и физиологических параметров.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось изучение со-■тояния искусственных и естественных молодняков сосны, произрастаю-цих в условиях атмосферных загрязнений Первоуральско-Ревдинского [ромышленного узла.

Основные задачи исследований:

1. Сбор и анализ данных о влиянии загрязнений на морфометриче-кие характеристики роста деревьев и древостоев и физиологическое со-тояние ассимиляционного аппарата хвои сосны.

2. Изучение взаимосвязи морфометрических и физиологических по :азателей древостоев.

3. Проведение комплексной лесоводственно-физиологической оцен-:и состояния сосновых молодняков в районе исследований.

4. Разработка методов картирования и составление карт состояния

У

лесов на основе величин диагностических характеристик.

Научная новизна заключается в следующих основных результатах исследований, впервые полученных автором в ходе работы над диссертацией и выносимых на защиту:

1. Проведен анализ взаимосвязей между физиологическими параметрами фотосинтетического аппарата хвои сосны, биометрическими характеристиками деревьев и базовыми параметрами насаждений, произрастающих в зоне воздействия аэропромвыбросов.

2. Описан комплекс изменений структурно-функционального состояния фотосинтетического аппарата хвои, вызванных длительным воздействием промышленных загрязнений.

3. Сделаны выбор и обоснование метода пространственной интерполяции диагностических параметров состояния для составления карт.

4. Составлены карты состояния лесов района исследований по совокупностям морфометрических и физиологических, а также по общему комплексу характеристик древостоев.

5. Проведено изучение взаимосвязи характеристик состояния насаждений, полученных путем дистанционных, наземных и аналитических исследований.

Практическая ценность работы. Установленные изменения флуоресцентных характеристик и пигментного состава фотосинтетического аппарата хвои в комплексе могут быть использованы при экспресс-диагностике состояния древостоев сосны. Составленные карты-схемы состояния лесов имеют практическое значение для оценки состояния пораженных лесов в районе исследования с целью дифференциации лесохозяйственных мероприятий и подбора пробных площадей при создании системы экологического мониторинга. Разработанная технология сбора, обработки данных и картирования может быть использована при экспресс-диагностике состояния и локальном мониторинге лесов.

£

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Четвертой молодежной научной конференции института биологии УрО РАН (Сыктывкар, 1996); Первом и Втором региональных семинарах по стратегическим направлениям экологических исследований и экологической политике (Екатеринбург, 1996; 1997); Первой международной конференции по измерению и моделированию загрязнения окружающей среды (Мадрид, 1997); Конференции ученых и специалистов химико-лесного комплекса (Екатеринбург, 1997); Научно-практическом семинаре по проблемам охраны окружающей среды (Екатеринбург, 1997); Первом всероссийском молодежном симпозиуме по безопасности биосферы (Екатеринбург, 1997).

Публикация результатов исследований. По материалам исследований опубликовано 7 научных работ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений, изложена на 149 страницах машинописного текста, включает 13 таблиц, 19 рисунков. Список литературы содержит 186 библиографий, в том числе 26 иностранных.

Работа выполнена на кафедре прикладной физики и биофизики Уральской государственной лесотехнической академии в процессе выполнения госбюджетной темы 1.4.95 "Использование морфофизиологической диагностики древостоев и лихенологической биоиндикации для экологического мониторинга лесов в зонах промышленного загрязнения" и международного проекта ЮТАБ 93-1645 "Использование лихеноиндика-ции и морфофизиологической оценки состояния древостоев в экологическом мониторинге лесов в зонах, подверженных промышленным загрязнениям на Среднем Урале (Свердловская область, Россия)".

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ДРЕВОСТОЕВ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Возрастание количества загрязняющих веществ и объемов выбросов в атмосферу промышленными предприятиями приводят к существенным нарушениям развития лесных насаждений. В лабораторных условиях относительно хорошо изучены механизмы воздействия отдельных загрязняющих веществ на растения. В естественных условиях на растения действует смесь газов и аэрозолей сложного химического состава. Изучить влияние всевозможных сочетаний загрязняющих веществ на растения в искусственных условиях практически невозможно (Илькун, 1978).

Морфометрические и физиологические характеристики древесных растений, в целом, неспецифично изменяются под действием аэропромышленных выбросов предприятий цветной металлургии (Удовенко и др. 1976; Николаевский 1966; Рябинин 1962; Мартынюк, Данилов, 1989).

Поражающему действию атмосферных промышленных загрязнений сопутствуют дополнительные факторы (энтомовазии, фитопатологические заболевания), усугубляющие отрицательное действие основного поражающего фактора на состояние древостоев (Богданова, 1987; Шяпятене, 1988). Химическое загрязнение изменяет структуру фитоценозов. Под его влиянием происходит сокращение видового разнообразия (Воробейчик, Хантемирова, 1994).

Экологический ущерб лесам может быть выражен в конкретных экономических показателях. Выбор оптимальной стратегии хозяйственной деятельности должен базироваться на экологической информации о количественных и качественных изменениях состояния лесных экосистем. В настоящее время широко используются как визуальные методы оценки со-

t

?

стояния лесных экосистем, так и методы, основанные на использовании комплекса признаков (Семенюк, Рудакова, 1988; Барахтенова, 1991; Степанов, 1988; Шавнин и др., 1988). При комплексной оценке часто применяются математические модели для перевода натуральных значений в безразмерные величины (Степанов, 1991; Калинин и др., 1991). Важнейшими задачами экологического мониторинга являются развитие прогностических функций на основе соответствующих моделей (Алексеев, 1986) и создание специализированных систем раннего предупреждения об ухудшении состояния экосистем. Эти системы создаются либо на основе особо чувствительных индикаторов, либо на основе привязки пунктов слежения к особо критическим зонам (Большаков и др., 1991). Перспективным направлением в оценке состояния лесных экосистем является использование дистанционных методов (Исаев, Сухих, 1986). Другим важным направлением в экологических исследованиях является использование географических информационных систем, которые позволяют решать широкий комплекс проблем, связанных с экологическим зонированием, оценкой экономического ущерба, нанесенного промышленными выбросами лесным экосистемам, выбором оптимальной стратегии хозяйственной деятельности в лесах, а также дают возможность проводить различные виды пространственного анализа (Lowell, 1990; French, Reed, 1996).

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Характеристика района исследований Район исследований расположен на территории, прилегающей к Первоуральско-Ревдинскому промышленному узлу, и представляет собой вытянутый на восток эллипс с максимальным диаметром 50 км и минимальным ~ 35 км. Особенности климата, рельефа, почв и лесного фонда описаны на основании литературных данных.

е

2.2. Характеристика основных источников аэропромвыбросов

Основным источником аэропромвыбросов в районе исследований является Среднеуральский медеплавильный завод (СУМЗ). Завод действует с 1940 года. Специфика токсического эффекта выбросов медеплавильного завода, оказываемого на растения, заключается в совместном действии тяжелых металлов и сернистого ангидрида. Кроме СУМЗа в районе исследований располагаются менее крупные предприятия, которые тоже вносят свой вклад в загрязнение окружающей среды.

2.3. Программа исследований Анализ литературных данных с учетом целей и задач исследований позволил наметить следующую программу работ:

1. Провести анализ литературы о влиянии промышленных загрязнений на состояние лесов.

2. Собрать данные о природных условиях, лесном фонде, состоянии воздушного бассейна и других особенностях района исследований.

3. Провести подбор искусственных и естественных молодняков сосны с последующей закладкой временных пробных площадей.

4. Оценить физиологическое состояние фотосинтетического аппарата хвои сосны.

5. Оценить состояние насаждений на основе количественных ле-соводственно-таксационных характеристик древостоев.

6. На основе комплексных обобщенных показателей состояния оценить лесоводственно-физиологическое состояние древостоев района исследований.

7. Обосновать методы картирования и создать карты состояния лесов по совокупности морфометрических, физиологических и по общему комплексу характеристик.

8. На основании проведенных работ предложить систему постоянных пробных площадей для целен экологического мониторинга.

2.4. Методика

В основу морфофизиолопгческой оценки состояния древостоев положен метод обследования пробных площадей (ПП). Закладку ПП производили согласно рекомендациям В. Н. Сукачева и др., (1957); В. В. Огиев-ского, А. А.Хирова, (1974). На каждой пробной площади выделяли и маркировали группу из 40 модельных деревьев с диаметрами наиболее близкими к среднему. У каждого дерева из этой группы определяли радиальный прирост ствола на высоте 1,3 м за последние 5 и 10 лет. У трех модельных деревьев определяли высоты и приросты по высоте за эти же периоды.

При определении пигментного состава, содержания пролина, серы и фторид-иона в хвое сосны использовали стандартные методики (Крючков и др., 1988; Bates, et al, 1973; Маслов, 1978; Хаземова и др., 1983).

Измерение флу оресцентных характеристик фотосинтетического аппарата (ФСА) хвои проводили с помощью импульсного флуориметра РАМ-2000 (Portable ..., 1993). Дтя этого на каждой пробной площади с 1015 деревьев из средней части кроны юго-западной экспозиции был взят побег второго года. Регистрировали постоянный уровень флуоресценции и амплитуду флуоресцентного сигнала, возбужденного насыщающим импульсом и рассчитывали квантовую эффективность фотосистемы II (КЭ).

При изучении зависимостей флуоресцентных характеристик фотосинтетического аппарата хвои от интенсивности освещения, перед началом измерений каждый побег дополнительно выдерживали тридцать минут в темноте. Актиничный свет ступенчато увеличивали от 0 до 180 цмоль фотон/м3с. Регистрировали постоянный уровень флуоресценции и

>о

величину пика флуоресцентного сигнала. Впоследствии рассчитывали величины параметра КЭ и коэффициента нефотохимического тушения.

Статистико-математическую обработку результатов проводили на персональном компьютере типа IBM PC/AT с помощью программ Excel, Statistica 5.0, Statgraphics plus 2.1, ARC/INFO 7.1.1.

2.5. Характеристика экспериментальных объектов и объем выполненных

работ

В соответствии с программой исследований было заложено 140 пробных площадей в насаждениях сосны обыкновенной. Из них 125 пробных площадей относятся к первым двум классам возраста и 15 - к третьему классу. В естественных насаждениях было заложено 15 ГШ, остальные - в искусственных. Участие сосны в составе древостоев варьировало от 40 до 100%. Подавляющее количество ПП относится к третьей и четвертой группам типов леса (Правила ... , 1994) с относительно неустойчивым и устойчивым режимами увлажнения.

В работе, помимо собранных автором данных, были использованы также отдельные результаты, полученные в ходе выполнения международного проекта по экологическому мониторингу. В сборе данны> участвовали специалисты УГЛТА, Института леса УрО РАН, Институт; экологии растений и животных УрО РАН (ИЭРиЖ УрО РАН).

ГЛАВА 3. ЛЕСОВОДСТВЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАСАЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ АЭРОПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

3.1. Регрессионный анализ морфометрических характеристик древостоев В таблице 1 представлены биометрические и физиологически характеристики 28-летних искусственных сосновых древостое]

ff

расположенных на удалении 4,1 (ПП 7) и 18,9 км (ПП 20, контроль) от основного источника аэропромвыбросов.

Таблица 1.

Биометрические и физиологические характеристики древостоев (числитель - среднее значение; знаменатель - стандартное отклонение)

№ D, н, 7 ¿dS, Zjio. Zhj, Zhio. Хл.а, Хл. Ь, Карот.. КЭ.

пп см м см см м м мг/г мг/г мг/г от. ед.

7 6,0 5.93 0,41 0,90 1,29 2.35 1.205 0.383 0,433 0.705

0,6 0,62 0,14 0,30 0,19 0,38 0,240 0,079 0,069 0,042

20 16,2 12,97 0,87 2.09 Ш 5,44 2,332 0,768 0,806 0,722

0,8 0,36 0,29 0,53 0,20 0,46 0,352 0,116 0,091 0,033

Из таблицы 1 следует, что на контрольной пробной площади значения биометрических и физиологических характеристик выше чем на ПП 7. Достоверность разности между параметрами контрольного и опытного объектов, за исключением коэффициента квантовой эффективности фотосистемы II, превышает 0,95. Различия между значениями по параметру КЭ достоверны с доверительной вероятностью 0,73.

С целью изучения влияния различных факторов на биометрические характеристики деревьев был проведен многофакторный регрессионный анализ. По данным 1277 модельных деревьев были получены регрессионные модели связывающие радиальный прирост ствола за последние 5 и 10 лет с возрастом, бонитетом, относительной полнотой, типом леса, расстоянием и направлением от СУМЗ, содержанием пигментов в хвое. Коэффициенты детерминации для данных моделей составляют 0,522...0,554. Были исследованы многомерные регрессионные модели, связывающие диаметр дерева на высоте 1,3 м (D) с возрастом (А), бонитетом (В), радиальным приростом за последние 10 лет (Zd)o), относительной полнотой (Pot) и гус-

н

тотой (Ы) насаждений, расстоянием (И) и направлением (К) от СУМЗа, содержанием хлорофилла "а" (Са) в хвое и коэффициентом эффективности нециклического электронного транспорта (КЭ). В уравнении 1 представлена одна из моделей.

1п(0) = 1,841 + 0,6561п(А) - 0,278 1п(В) + 0,190 1п(7<по) -0,198 !п(К) +

На рисунке 1 представлен график зависимости расчетных и наблюдаемых значений логарифма диаметра ствола для уравнения (1).

Снижение класса бонитета, увеличение густоты и кодированного значения направления сопровождаются уменьшением значений диаметра ствола. Удаление от СУМЗа, увеличение радиального прироста, возрастание содержания хлорофилла "а" в хвое и увеличение КЭ приводят к увеличению диаметра.

0,198 ]п(Я) -0,132 1п(К) + 0,179 1п(Са) + 0,404 1п(КЭ); Я2 = 0,816; БЕ = 0,171

(1)

3.4

0,6

0,8

1.2

1.6

2.0

2,4

2,8

3.2

Предсказанные значения

Рис. 1. Значения логарифма диаметра ствола дерева на высоте 1,3 м, рас считанные по регрессионному уравнению (1).

Величины показателей состояния (ПС), рассчитанные по значениям диаметров и радиальных приростов за последние 5 лет, как правило, ниже ПС, найденных по величинам высот и приростов по высоте за этот же период. Это свидетельствует о том, что диаметр и радиальный прирост являются более чувствительными к действию загрязнений, чем высота и прирост по высоте. На западной, северо-западной и северо-восточной трансек-тах значения ПС по всем биометрическим параметрам возрастают с удалением от СУМЗа. При этом наблюдаются локальные колебания значений ПС вдоль линии тренда, обусловленные влиянием дополнительных факторов (лесорастительные условия, рельеф). На восточной трансекте с удалением от источника выбросов явного тренда в сторону увеличения значений ПС не наблюдается. Возрастание значений показателя состояния по высоте, радиальному приросту и приросту по высоте за последние 5 лет происходит до расстояния 12-13 км, при больших расстояниях наблюдается падение этих значений. Локальное колебание значений ПС на восточной и юго-восточной трансектах во многих случаях объясняется наличием дополнительных источников загрязнения и влиянием рельефа.

ГЛАВА 4. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ХВОИ В УСЛОВИЯХ АЭРОПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

4.1. Влияние аэропромвыбросов на световые зависимости флуоресцентных

характеристик хвои Под воздействием аэропромвыбросов происходит снижение светового порога высокоэнергетического состояния фотосинтетического аппарата хвои. При этом, как правило, снижается стационарный уровень флуоресценции. С приближением к СУМЗу значения коэффициентов нефотохимического тушения на участке кривой, соответствующей высокоэнергетиче-

скому состоянию, выше, чем в контроле (рис. 2). На этом участке значения коэффициентов квантовой эффективности фотосистемы II ниже, чем на контрольной ПЛ. В хвое объектов, которые не подчиняются описанным закономерностям, обнаружено высокое содержание пролина, что, по-видимому, указывает на включение компенсаторных механизмов,

0,45 -

0 20 40 60 80 100 120 140 160 ФАР, цмоль/(мгс)

Рис.2. Световые зависимости КЭ для ПП 6 и ПП 20 (контроль). Удаление от СУМЗа 3,1 и 18,9 км соответственно.

адаптацией к стрессу. Представляется возможным использование точки перегиба световой кривой коэффициента нефотохимического тушения для оценки состояния ФСА хвои.

*

164.2. Регрессионный и корреляционный анализ физиологических характеристик фотосинтетического аппарата хвои Для нахождения связи между физиологическими параметрами ФСА хвои, биометрическими характеристиками деревьев и другими характеристиками насаждений использовали множественный регрессионный анализ. Были найдены уравнения, связывающие содержание хлорофиллов "а" и "Ь" в хвое с содержанием в ней каротиноидов, нециклическим электронным транспортом в мембране тилакоида, спектральными характеристиками, полученными по спутниковому снимку района исследований, диаметром дерева на высоте 1,3 м, расстоянием от источника и относительной полнотой насаждения. Уравнение свидетельствует, что содержание хлорофилла "а" возрастает с увеличением содержания каротиноидов, хлорофил-ла"Ь", величин коэффициента КЭ, расстояния от СУМЗа и диаметра ствола.

В соответствии с уравнением, связывающим содержание хлорофилла "Ь" в хвое с другими физиологическими характеристиками ФСА, относительной полнотой и амплитудой спектральной характеристики, возрастание квантовой эффективности фотосистемы II сопровождается снижением содержания хлорофилла "Ь" в хвое.

Установлена достоверная связь между валовым содержанием серы и свободного пролина в хвое сосны. Коэффициент корреляции составляет 0,84.

4.3. Лесоводственно-физиологическая оценка состояния древостоев по совокупности морфометрических и физиологических характеристик По содержанию хлорофилла "а" в хвое и величин коэффициента КЭ были рассчитаны показатели состояния ФСА хвои. С удалением от СУМЗа изменение показателей состояния по этим параметрам на западной

!&

и северо-западной трансектах происходит симбатно, на восточной, северовосточной и юго-восточной трансектах преобладает антибатная зависимость.

Обобщенные показатели состояния (ОПС), рассчитанные по совокупности морфометрических параметров, как правило, ниже ОПС, полученных на основе физиологических характеристик. Одним из объяснений данного факта является то, что измерение физиологических характеристик проводилось в конце второго вегетационного периода. Можно предположить, что в течение этого времени негативные изменения параметров структурно-функционального состояния ФСА хвои не достигают еще максимальных значений. Другое объяснение связано с глубоким экономическим кризисом, наблюдающимся в последние 3-5 лет в экономике страны и затронувшем промышленные предприятия района исследований. Сокращение производства сопровождается снижением объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, что положительно сказывается на физиологических характеристиках хвои. Аккумуляция тяжелых металлов и других токсических поллютантов в почвах района исследований происходила с момента образования завода (1940 г.). Самоочищение почв требует гораздо больше времени, чем самоочищение атмосферы, поэтому существенное уменьшение отрицательного влияния загрязнений на ростовые процессы при снижении объемов выбросов может произойти, по-видимому, значительно позднее. Из этого следует, что физиологические характеристики фотосинтетического аппарата хвои могут реагировать на снижение концентраций поллютантов в воздухе раньше, чем морфометри-ческие параметры.

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗОНИРОВАНИЕ ЛЕСОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЮ АЭРОПРОМВЫБРОСОВ

5.1. Использование метода пространственной интерполяции для составления диагностических карт

При составлении карт состояния была использована географическая информационная система ARC/INFO. Для получения карты состояния строили виртуальную поверхность. В качестве X и Y координат использовали реальные координаты пробных площадей, а в качестве Z - обобщенный показатель состояния. Для интерполяции промежуточных значений ОПС между экспериментальными точками использовали метод интерполяции "кригинг". В основе метода лежит нахождение функции, известной как семивариограмма. На основе ОПС по совокупностям биометрических и физиологических характеристик, рассчитали семивариансы и нашли математические уравнения, аппроксимирующие семивариограммы. Для обобщенных показателей состояния, рассчитанных отдельно по совокупностям морфометрических и физиологических, а также по общему комплексу характеристик, коэффициенты детерминации составляют соответственно 0,976; 0,940 и 0,923. Полученные уравнения позволяют находить пространственную корреляцию между значениями ОПС в точках и расчитывать весовые коэффициенты, которые в дальнейшем используются при расчете промежуточных значений и построении поверхности. Для ОПС по каждому комплексу характеристик были построены виртуальные поверхности и проведены изолинии состояния.

В качестве первого этапа составления карт состояния насаждений проведена оцифровка топографической карты масштаба 1:200000 и создана цифровая высотная модель для получения карты рельефа местности.

5.2 Анализ данных зонирования состояния лесов По совокупности морфометрических и физиологических характеристик и по общему комплексу параметров были составлены три карты состояния лесов. Зона с очень плохим состоянием древостоев (менее 25 баллов) расположена вокруг СУМЗа (рис. 3). Зона с плохим состоянием древостоев (25-35 баллов) простирается в восточном направлении от главного источника выбросов с расширением вдоль восточной границы района исследований. Конфигурация этой зоны объясняется наличием преобладающих ветров, рельефом района исследований и дополнительным отрицательным влиянием на состояние древостоев промышленных предприятий города Екатеринбурга. Большую часть территории района исследований занимает зона с удовлетворительным состоянием древостоев (35-45 баллов). Зоны с хорошим состоянием (выше 45 "баллов) располагаются на западе и северо-западе района исследований.

Карта зон состояния древостоев, составленная по общей совокупности характеристик (рис.3), значительно отличается от карт, построенных отдельно по физиологическим и морфометрическим параметрам. Зоны с плохим состоянием древостоев расположены вокруг СУМЗа, а также в северо-восточном и юго-восточном направлениях на расстоянии 12-16 км. Вокруг этих участков расположены зоны с более высоким баллом состояния. В южной части района исследований находится зона с удовлетворительным состоянием древостоев. Между вышеописанными участками располагаются древостой с баллом состояния выше 45. Расположение участков с очень плохим, плохим и удовлетворительным состоянием на удалении свыше 12 км от СУМЗа можно объяснить отсутствием адаптации к эпизодическому действию загрязнений. С приближением к источнику выбросов средние концентрации загрязняющих веществ в воздухе возрастают, но балл состояния древостоев по физиологическим характеристикам высокий. По-видимому, это означает, что на данной территории в растени-

1 У

Зона

состояния Балл

В и С

□ к 0 Ь < -Ь^-1 ! 12 Л

□ В-*'

Г] >45 ю

Рис. 3. Карта-схема зон состояния древостоев района исследований, составленная на основе величин обобщенных показателей состояния, , рассчитанных по совокупности морфометрических и физиологических параметров

2 О

ях включаются механизмы приспособления к атиянию стрессовых факторов. При дальнейшем приближении к СУМЗу адаптационный потенциал растений исчерпывается и ФСА хвои не справляется с возрастающей техногенной нагрузкой. В этих условиях состояние ассимиляционного аппарата необратимо ухудшается.

5.3. Анализ взаимосвязи характеристик состояния насаждений, полученных путем дистанционных, аналитических и наземных исследований

Сравнительный анализ обобщенных показателей состояния древо-стоев, расчетных концентраций загрязняющих веществ в воздухе (данные для расчетов предоставлены Винокуровым М. В., УГЛТА, каф. ФХТЗБ) и характеристик, полученных по 7 спектральным диапазонам космической фотосъемки, показал отсутствие достоверной корреляции между параметрами. По-видимому, это связано с тем, что программа расчета концентраций загрязняющих веществ не учитывает рельеф района исследований.

С целью сопоставления данных о состоянии лесов, полученных разными методами, был проведен кросскорреляцнонный анализ поверхностей состояния на основе результатов измерений содержания металлов (Си, Сё, '¿п, РЬ) в почве, состоянию лишайниковых синузий (данные для расчетов предоставлены Воробейчиком Е.Л. и Михайловой И.Н., ИЭР и Ж УрО РАН) и обобщенных показателей состояния насаждений. Наибольшие значения коэффициентов кросскорреляции наблюдаются между поверхностями, рассчитанными по комплексу морфометрических и физиологических характеристик древостоев и индексами чистоты атмосферы. Значения коэффициентов составляют 0,54-0,56. Между поверхностями, полученными по содержанию металлов в почве и по совокупности морфометрических параметров наблюдается отрицательная кросскорреляционная связь. При этом величины коэффициентов кросскорреляции между поверхностями,

У

рассчитанными по содержанию солей тяжелых металлов в почве и ¡еличинами О ПС по совокупности морфометрических параметров, зарьируют от -0,27 до -0,47.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Воздействие промышленных загрязнений на сосновые молодняки вызывает ряд изменений в ростовых и физиолого-биохимических процессах деревьев. В связи с этим наиболее перспективными подходами к их оценке являются комплексные методы. Проведенные в ходе работы над диссертаций исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Между диаметром ствола дерева на высоте 1,3 м, базовыми характеристиками древостоев, направлением и расстоянием от СУМЗа, содержанием хлорофилла "а" в хвое и квантовой эффективностью фотосистемы II существует достоверная связь, что подтверждается множественным регрессионным анализом.

2. Достоверный вклад в объяснение общей вариации радиального прироста ствола дерева на высоте 1,3 м вносят возраст, относительная полнота, * тип лесорастительных условий, диаметр, расстояние от источника выбросов и содержание хлорофилла "а" в хвое.

3. Установлена связь между содержанием пигментов фотосинтетического аппарата, квантовой эффективностью фотосистемы II, относительной полнотой древостоев и данными спутниковой съемки.

4. Под воздействием аэропромвыбросов происходит снижение содержания хлорофиллов "а" и "Ь", квантовой эффективности фотосистемы II, светового порога высокоэнергетического состояния фотосинтетического аппарата хвои. Перечисленные характеристики могут быть использованы при экспресс-диагностике состояния насаждений и в экологическом мониторинге лесов.

гг.

5. Найдена достоверная связь между валовым содержанием серы и свободного пролина в хвое сосны (коэффициент корреляции 0,84).

6. Комплекс морфометрических и физиологических характеристик позволяет более объективно оценивать состояние древостоев по сравнению с их раздельным применением. Доказано, что при диагностике состояния древостоев в качестве основных должна использоваться совокупность биометрических параметров (диаметр, высота и их приросты)..

7. Результаты компьютерной обработки данных показали, что метод пространственной интерполяции "кригинг" может быть использован при составлении карт состояния лесов.

8. Анализ карт состояния лесов района исследований по совокупностям морфометрических, физиологических и по общему комплексу характеристик показал, что угнетенное состояние сосновых молодняков наблюдается на расстояниях до 20-25 км от основного источника выбросов (СУМЗа).

9. Изучение взаимосвязи характеристик состояния насаждений, полученных различными методами, показало, что рассмотренные дистанционные и аналитические методы оценки не могут заменить наземных исследований.

10. На основании проведенных исследований была создана система пробных площадей для целей экологического мониторинга.

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ

РАБОТЫ:

1. Фомин В. В. Комплексная оценка состояния искусственных молодняков сосны в зоне промышленного загрязнения Средуралмедьзавода // Актуальные проблемы биологии: Тез. докл., - Сыктывкар, 1996. -С. 130.

2. Шавнин С. А., Фомин В. В., Михайлова И. Н., Мартюшов П. А. Итоги выполнения в 1995-1996 гг. российско-швейцарско-германского науч-

г, 2

но-исследовательского проекта INTAS 93-1645 // Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса: Тез. докл., Екатеринбург, 1997. -С. 95-96

Шавнин С. А., Михайлова И. Н., Фомин В. В., Мартюшов П. А., Экало J1. В. Комплексное использование лихеноиндикации и морфофизиоло-гическон оценки состояния древостоев в зонах промышленного загрязнения для целей экологического мониторинга // Стратегические направления экологических исследований на Урале и экологическая политика.: Тез. докл. - Екатеринбург, 1996. -С. 54-55.

Shavnin S. А„ Fomin V. V. & Marina N. V. Application of the generalized State index determination to ecological monitoring of forest in poüuted areas // Measurements and Modelling in Environmental Pollution. - Southampton, UK and Boston, USA: Computational Mechanics Publications. 1997. -pp. 399-407.

Фомин В. В., Шавнин С. А. Влияние аэропромвыбросов на флуоресценцию хлорофилла хвои сосны // Стратегические направления экологических исследований на Урале и экологическая политика: Тез. докл. -Екатеринбург, 1997. -С. 56.

Шавнин С. А., Винокуров М. В., Фомин В. В., Марина Н. В., Даниль-ченко И. Н., Просвирова С. А., Смирнов С. В., Ковалевский А. Г. Разработка подходов к оценке и прогнозу состояния лесов в зонах промышленного загрязнения // Проблемы охраны окружающей среды Уральского региона: Тез. докл., - Екатеринбург, 1997. -С. 54-55. Фомин В. В., Шавнин С. А. Картирование состояния лесов в зонах промышленного загрязнения // Безопасность биосферы: Тез. докл. - Екатеринбург, 1997.-С. 164.

вписано в печать P-^tQ Объем 1,39 п.л. Заказ №У^5".Тираж 100 1альская государственная лесотехническая академия 0032, Екатеринбург, Сибирский тракт, 37