Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности формирования ельников в условиях антропогенного стресса

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Особенности формирования ельников в условиях антропогенного стресса"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи

КОРОТКОВ Сергей Александрович

УДК 630*182.51:630*425

- ' ' ■ '; гр 1 \ , ■ - •» £ и

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЕЛЬНИКОВ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО СТРЕССА (НА ПРИМЕРЕ ЛЕСОВ КЛИНСКО-ДМИТРОВСКОЙ ГРЯДЫ)

Специальность 03.00.16 — Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва — 1998

Работа выполнена на кафедре лесоводства и подсочки леса Мс сковского государственного университета леса.

Научный руководитель — академик РАЕН, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор В.И. Обыдёнников Научный консультант — академик МАНЭБ, доктор

биологических наук, профессор B.C. Николаевский Официальные оппоненты: академик РАЕН, доктор биологических

наук, профессор И.И. Марадудин

кандидат биологических наук А.А. Мартышок

Ведущая организация: Московская сельскохозяйственная

академия им. К.А. Тимирязева

УК

Защита диссертации состоится «' ' » у^^С^у-^ 1998 г. на заседг нии диссертационного совета Д 053.3i.05 при Московском государ ственном университете леса в 10 час. 30 мин. по адресу: 141001 Московская обл., г. Мытищи, МГУЛ, аудитория 313.

7о>2с>}.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке упиверситетг

Автореферат разослан Ах/о^/ак^ 1998 г.

Просим Ваши отзывы на автореферат в ДВУХ ЭКЗЕМПЛЯРА] С ЗАВЕРЕННЫМИ ПОДПИСЯМИ присылать по адресу: 14100] Мытшци-1, Московский государственный университет леса. Ученом секретарю.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук,

доцент Щепащенко М.Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Постоянно усиливающееся воздействие человека на окружающую среду — одна из глобальных проблем нашего времени. Серьезные нарушения экологической обстановки отмечены более чем на половине территории России, в том числе и в Московской области. Проблемам сохранения биологического разнообразия, изучению продуктивности и санитарного состояния лесов под воздействием загрязнения воздуха уделяется большое внимание как в России, так и за рубежом. Особую опасность представляет хроническое ослабление лесных экосистем, в первую очередь хвойных насаждений, под действием промышленных выбросов. Поэтому изучение особенностей развития еловых насаждений под влиянием антропогенных нагрузок — важная природоохранная задача. Многочисленные исследования в области влияния загрязнения воздуха на лес нередко проводились либо на эколого-физиологическом уровне, либо носили оценочный характер на глобальном уровне. Морфометрическая структура и устойчивость еловых лесов в условиях загрязнения атмосферы изучены недостаточно.

Цель и задачи.

Цель работы — определение особенностей формирования еловых насаждений под действием антропогенных нагрузок, в т. ч. промышленных выбросов в условиях Клинско-Дмитровской гряды.

В рамках поставленной цели рассматривались следующие зада-

ш:

экологическая оценка загрязнения воздуха и зонирование территории;

изучение влияния экзогенных факторов на морфометрическую :труктуру и санитарное состояние насаждений;

изучение устойчивости и динамики насаждений с различной до-1ей участия ели и разной структурой в условиях усиливающейся ан-:ропогенной нагрузки;

разработка рекомендаций по формированию еловых насаждений, юдверженных влиянию загрязнения воздуха.

Объекты исследования.

В соответствии с поставленными задачами было проведено из-чение состояния наиболее широко представленных групп типов леса [лннско-Дмитровской гряды — ельников-зеленомошников и елыш-ов-сложных (условно-коренных типов леса).

Объектами исследований были чистые и смешанные еловые паса ждения (лесные культуры II-III класса возраста и спелые леса еслс ственного происхождения), а также типичные для данного регион насаждения на различных стадиях сукцессии.

Научная новизна.

В результате проведенных исследований выделены зоны с рал личными уровнями загрязнения воздуха и рекреационного ьоздей ствия. Выявлены различия в структуре еловых насаждений раз личного состава в связи с промышленными выбросами для услови Клинско-Дмитровской гряды. Показано, что от загрязнения воздух больше страдают деревья IV-V классов Крафта. Прослежена тенден ция к дифференциации насаждений на биогруппы под антропогенны! воздействием, начиная со второго класса возраста. Дана оценка аи тропогенных и природно-биоценотических тенденций развития наса ждений с использованием комплексного показателя — динамическо стабильности насаждений.

Практическая значимость.

Полученные данные могут использоваться для выделения кри терия устойчивости насаждений. Результаты исследования делаю возможным прогнозирование роста и развития типичных для Mockol ской области насаждений с участием ели в условиях усиливающейс: антропогенной нагрузки и обоснование системы охранных меропри ятий. Предложены рекомендации по оптимизации состава и струк туры насаждений при различном уровне загрязнения воздуха в Мс сковской области и районах с аналогичными природными условиям!:

Выводы и материалы работы используются при проведении науч но-исследовательских работ на территории Московской области и учебном процессе МГУЛ по курсу "Лесоведение".

На защиту выносится: критерий оценки состояния и устойчи вости еловых лесов при экологическом мониторинге с использоваш: ем ранговой структуры древостоя.

Апробация работы.

Отдельные результаты исследований докладывались на Всерос сийской научно-технической конференции "Охрана лесных экосисте! и рациональное использование лесных ресурсов" (1994 г.), научнс практической конференции "Сохранение и восстановление природнс культурных комплексов Подмосковья" (1994 г.), чтениях, посвящен ных 90-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техни ки РСФСР, академика, доктора сельскохозяйственных наук, профес сора И. С. Мелехова (1995 г.), симпозиуме "Состояние современног лесного комплекса, образование, наука, промышленность" (1996 г.]

заседании секции лесоводстваи лесовосстановления РАСХ11 (1996 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы охраны и рационального использования природных экосистем и биологических ресурсов", посвященной 1'25-летию профессора И. И. Снры-гина (г. Пенза, 1998 г.), научно-методической конференции "Мониторинг состояния зеленого фонда города: методы, средства, прогноз и принятие решений" (1998 г.), научной конференции "От истории к истории общества; прошлое в настоящем и будущем. История взаимодействия общества и природы", научно-технических конференциях преподавателей и аспирантов МГУЛ (1994, 1995, 1997, 1998 гг.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ (6 из них — в соавторстве). 3 работы находятся в печати.

Личный вклад.

Автором разработаны научное обоснование, программа, методика работ; проведен сбор полевых материалов и камеральная обработка данных, выполнен анализ полученных результатов с использованием методов математической статистики, предложены рекомендации по формированию насаждений.

Особенности работы.

Работа основывается на теоретических положениях учения о лесе и экологии Г .Ф. Морозова, В. Н. Сукачева, Н. В. Третьякова, М. Е. Ткаченко, И. С. Мелехова, К. К. Высоцкого, В. Г. Карпова, С. Н. Сеннова, Ю. 3. Кулагина, В. С. Николаевского, У. Смита и др.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, предложений по оптимизации формирования лесных насаждений в условиях усиливающейся антропогенной нагрузки, заключения, списка литературы из 316 наименований (в том числе 34 — на иностранных языках) и четырех приложений. Текстовая часть диссертационной работы изложена на 119 страницах, включая 22 таблицы и 12 рисунков.

Краткое содержание работы

Глава 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА НА ЛЕСНЫЕ НАСАЖДЕНИЯ

Изучая формирование лесных фитоценозов, можно выделить два аспекта: развитие насаждения под влиянием природно-биоценотичес-<их факторов и роль человека в этом процессе.

Первые наблюдения за формированием лесных насаждений появились в конце XV11I и начале XIX веков в работах А. Т. Болотова (1766), Е. Ф, Зябловского (1804), Г. Котты (1835). Систематическое изучение влияния загрязнения воздуха на растения начато в 1849 г. и Германии; в России приоритет принадлежит В. Сабашникову (1911). Большой вклад в изучение газоустойчивостн растений был сделан Н. П. Красинскнм (1950), Ю.З. Кулагиным (1974, 1980), B.C. Николаевским (1979, 1989, 1998), С.А. Сергейчик (1984), Е.А. Сидоровичем, Е.Г. Бусько (1992) и другими учеными. Современные исследования, в основном, приурочены к объектам интенсивных выбросов крупных промышленных центров.

У. X. Смит (1985) выделяет три основных класса взаимодействий между атмосферными примесями и лесными экосистемами. К первому классу относятся функции леса как поглотителя атмосферных примесей, ко второму классу — заметное воздействие поллютантов на лес и к третьему — разрушительное влияние загрязнителей воздуха на лесные насаждения.

Взгляды на лесные экосистемы как стабильные сообщества претерпели изменения к 70-80-м годам XX века, когда были накоплены данные о массовом ослаблении и даже гибели лесов, связанном с воздействием человека.

Теоретические основы антропогенной динамики леса подробно рассмотрены в работах Г. Ф. Морозова, В. Н. Сукачева, А. А. Молчанова, И. С. Мелехова, Б. П. Колесникова, К. П. Соловьева, А. В. По-бединского, И. В. Тарана, А. И. Бузыкина, Н. Г. Васильева, А. И. Пи-саренко, А. Н. Луганского, Е. Г. Мозолевской, К. Куусела. На этой основе взаимодействие антропогенных факторов, влияющих на лесные насаждения Подмосковья, представлено на рис. 1.

С усилением загрязнения воздуха хвойные породы отмирают в первую очередь. Высокую поражаемость газами хвойных пород объясняют большой продолжительностью жизни хвои и консервативностью в прохождении восстановительных процессов, а также влиянием газов на хвою в течение всего года (Антипов, 1979; Куусела, 1991). Основная причина усыхания хвойных лесов Подмосковья — загрязненность атмосферного воздуха диоксидом серы, считают С. Ф. Кур-наев, А. Д. Вакуров (1968), хотя существует точка зрения, что изреженность приспевающих древостоев и неудовлетворительное санитарное состояние типичны для сравнительно одновозрастных чистых ельников II - III поколений (Абатуров, 1978).

В связи с усиливающимся загрязнением атмосферы особенно актуальными становятся вопросы устойчивости лесов. Устойчивость —

Факторы

Рис. 1. Принципиальная схема взаимодействия антропогенных факторов, влияющих на лесные насаждения.

одно из наиболее сложных разносторонних понятий в лесной экологии. Оно рассматривается с различных точек зрения: устойчивость к абиотическим, биотическим и антропогенным факторам (Морозов,

1912; Мелехов, 1966; Кулагин, 1974; Николаевский, 1979; Дыренков, 1984; Таран, 1985; Рожков, Козак, 1989; Ярмишко, 1990, 1997; Вех, 1992; Лукина, Никонов, 1993 и др.)

Проблема взаимодействия лесных экосистем и промышленных выбросов окончательно не решена. Остаются актуальными и недостаточно разработанными вопросы устойчивости лесных насаждений, в частности, к атмосферному загрязнению. Это относится и к лесам Московской области, подвергающимся воздействию промышленности как г. Москвы, так и самой области. В то же время леса региона интенсивно используются в рекреационных целях. Эти факторы делают весьма актуальным системное изучение воздействия промышленных выбросов и других антропогенных факторов на устойчивость и состояние еловых лесов Подмосковья.

Остается мало изучено санитарное состояние и динамические тенденции еловых насаждений Московской области в связи с загрязнением воздуха, а также особенности реакции деревьев различных классов Крафта на антропогенное воздействие.

Для решения этих вопросов весьма значимо выделение экологических зон с разным уровнем загрязнения воздуха и при различном рекреационном воздействии. Важной задачей представляется изучение ранговой структуры еловых насаждений в условиях антропогенной нагрузки.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Основная часть исследований проводилась в центральной части Московской области на стыке Клинско-Дмитровской гряды и Подмосковной Мещеры (Курнаев, 1982).

Для этой территории характерен волнисто-холмистый рельеф с относительно слабым эрозионным расчленением поверхности. Количество осадков на уровне 550.. .650 мм; максимум их приходится на теплый период года, минимум — на холодный; в отдельные годы оно меняется в пределах 390...850 мм. В большинстве случаев годовое количество осадков превышает испарение в 1,10... 1,33 раза. При .промывном типе водного режима основной фон составляют подзолистые почвы.

В целом, почвенно-грунтовые и климатические условия района исследований благоприятны для произрастания высокопродуктивных еловых насаждений. Среди еловых лесов наиболее широкое распространение имеет группа ельников-зеленомошников (Р1сее1а Ьу1о-сотюза) и ельников-сложных (Ркее1а сотроэНа).

При оценке современного состояния окружающей природной среды помимо природных особенностей необходимо учитывать мощное антропогенное воздействие, оказываемое Москвой. Город Москва формирует вместе с областью сложный комплекс — Московский регион. Он характеризуется непростой экологической ситуацией. Ядро агломерации за счет развития промышленности расползается и резко уменьшает площади свободных территорий, озелененных и открытых пространств. Очень высокая концентрация производства, рост транспорта, низкий уровень внедрения энергосберегающих и малоотходных технологий создают сильную техногенную нагрузку на окружающую природную среду.

Состояние природной среды Подмосковья в значительной степени определяют более 200 промышленных предприятий, которые формируют порядка 50 узлов устойчивого загрязнения окружающей среды, приуроченных, главным образом, к 12 городским агломерациям (Состояние окружающей среды Московской области в 1994 году, 1995). В Москве сосредоточено более 1200 промышленных предприятий, 14 ТЭЦ с филиалами, несколько тысяч котельных.

Леса находятся под интенсивным влиянием человека, проявляющимся длительное время. Среди антропогенных воздействий на состояние и динамику лесных экосистем следует отметить, прежде всего, рубки главного пользования, техногенное загрязнение и рекреационные нагрузки. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в Московском регионе являются предприятия теплоэнергетики и автотранспорт. Наиболее опасные для лесов уровни загрязнения создаются выбросами диоксида серы и оксидов азота.

Глава 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЕЛОВЫЕ ЛЕСА ПОДМОСКОВЬЯ

Экологическая оценка загрязнения воздуха и зонирование лесных насаждений и территорий осуществлялась двумя методами:

на основе удаленности от источников загрязнения, с учетом наличия рекреационных участков и влияния преобладающих ветров; с использованием биоиндпкационных характеристик. В зависимости от загрязнения воздуха оксидами серы и азота выделяли три основные зоны: интенсивного воздействия (0,24... .. .0,3 мг/м3), буферную (0,09.. .0,23 мг/м3) и контрольную (0,05... ...0,08 мг/м3).

Изучение структуры насаждений осуществлялось с использованием рекогносцировочного обследования в типичных насаждениях

района исследований, а также на пробных площадях в чистых и смешанных еловых насаждениях II - VI классов возраста.

Рекогносцировочное обследование проводилось по регулярной сетке с интервалом 150 м, совмещенной с топографическим планом исследуемой территории. На каждом пикете проводилось ле-соводственно-геоботаническое обследование.

При закладке пробных площадей использовалась стандартная методика (Сукачев, Зонн, 1961; Плотников, 1979; Анучин, 1991). Особое внимание уделяли размещению деревьев и сомкнутости древостоя. Проводили полный перечет деревьев на пробных площадях. Размер пробных площадей колебался в пределах от 0,08 до 0,25 га (для получения данных по 150 деревьям на пробной плбщади).

Полевые работы проводились в течение 1993 - 1998 гг. Заложено 45 пробных площадей. Объектами для биоиндикациопных исследований (по Николавевскому, 1995) служили хвойные (еловые и сосновые) и хвойно-лиственные насаждения на территории Московской области. Стационарные исследования на пробных площадях проводились в широко распространенных в Московской области ельниках-кисличниках и ельниках-сложных I - 1а бонитета. Типы условий местопроизрастания — Вг - Вз, С2 - Сз-

Пробные площади подбирались после изучения таксационных материалов и рекогносцировочного обследования альтернативных насаждений. Для большей сопоставимости и лучшего анализа данных пробные площади закладывались в сериях еловых насаждений в возрасте 26-27, 30-39, 45-46 лет и V - VI классах возраста с полнотой 0,7 - 0,9 и сходным запасом древесины.

•Исследуемые насаждения произрастают на дерново-подзолистых среднеоподзоленных почвах. Материнская порода — морена и флю-виогляциальные отложения.

Главным критерием однородности насаждений при подборе естественных рядов служил тип леса (Сукачев, 1925; Третьяков, 1927, 1937; Колесников, 1956; Мелехов, 1968; Рысин, 1974).

При обследовании пробных площадей использовали методику определения санитарного состояния деревьев (Санитарные правила в лесах России, 1992; Мозолевская, Катаев, Соколова, 1984 и др.) с учетом рекомендаций В. А. Алексеева (1989). Выявляли дифференциацию деревьев с использованием классификаций Крафта (1884), Кайрюкштиса (1969), учитывали густоту и встречаемость подроста, определяли видовой состав и обилие напочвенного покрова. Анализ наиболее характерных древостоев проводился по методике К. К. Высоцкого (1962) с выделением классов местоположения и построением

рядов конкретных редукционных чисел.

Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась на ПК с использованием стандартных пакетов программ STATGRAPIIICS 3.0, QUATTRO PRO 4.0, 6.0, EXCEL 7.0, и специально разработанной программы KSTATY '2.0 (Иванов, 1994).

Использованная система методик, принятых в экологии и лесоводстве, обеспечивает проведение комплексного анализа лесных сообществ. Из биоиндикационных методов наиболее информативным оказался. лихенометрический.

Глава 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ЕЛОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ КЛИНСКО-ДМИТРОВСКОЙ ГРЯДЫ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

Традиционным подходом к оценке уровня влияния промышленного загрязнения воздуха на лес является характеристика санитарного состояния лесных насаждений. Для определения реакции древостоя на атмосферное загрязнение сравнивалось состояние его и контрольного объекта, а также учитывалось развитие лихенофлоры. Однако выбор насаждения, идентичного данному, функционирующего в составе аналогичной лесной экосистемы и не подвергающегося внешнему стрессовому воздействию, сопряжен с существенными трудностями.

Загрязнение воздуха приводит к уменьшению возраста хвои, обеднению лихенофлоры, сказывается на составе насаждений — увеличивается доля лиственных пород. Зависимость продуктивности насаждений от загрязнения атмосферного воздуха при околофоновых уровнях наблюдается не всегда, однако было отмечено уменьшение густоты древостоев.

Интенсивное воздействие промышленных выбросов приводит к ухудшению санитарного состояния насаждения. Однако, количество старого сухостоя не может быть само по себе информативным признаком, т. к. практически зависит от проводимых рубок ухода и возможностей его использования. Малое количество усыхающих деревьев (4 категория) свидетельствует о том, что процесс отмирания идет сравнительно быстро. Ключевыми изменениями в состоянии дерева является переход от здорового к сильно ослабленному (3 категория) и от сильно ослабленного к усыхающему. Анализ процесса ослабления деревьев показывает, что переход особи в 4-ю категорию санитарного состояния необратим. Дальнейший ее переход в пятую и шестую категории — это вопрос времени и не зависит уже явно от внешних отрицательных воздействий.

Совместное действие весенних заморозков 1993 и 1994 гг. и промышленного загрязнения воздуха заметно ухудшило санитарное состояние исследованных насаждений. Чистые еловые древостой пострадали значительно более елово-сосновых. В елово-сосновых дре-востоях особи сосны заметно ослаблены. Это объясняется как воздействием промышленных выбросов, так и влиянием ели на сосну.

Таким образом, санитарное состояние еловых насаждений отражает их относительную приспособленность к конкретной экологической обстановке, в том числе и к антропогенным воздействиям.

Исследования показали следующую тенденцию для еловых насаждений: при интенсивном воздействии в первую очередь отпадают наиболее ослабленные деревья; при этом густота и сомкнутость древостоя уменьшаются. На данном этапе загрязнения атмосферного воздуха основное неблагоприятное воздействие промышленных выбросов связано с ухудшением санитарного состояния насаждений.

Примесь лиственных пород сильнейшим образом создает конкуренцию ели, снижает ее таксационные показатели и замедляет развитие насаждения. Загрязнение атмосферного воздуха (буферная зона по сравнению с контрольной) ослабляет ель и способствует увеличению доли лиственных, в первую очередь, березы.

Изменение структуры древостоев определяется ростом, развитием и отпадом деревьев. В процессе роста увеличивается фитомасса и происходит перераспределение деревьев по категориям развития и состояния.

Механизмы формирования структуры еловых насаждений различны. Они тесно связаны с интенсивностью изреживания, и включают в себя как воздействие экологических факторов, существенную долю которых в условиях Московской области составляют антропогенные, так и конкуренцию (внутри- и межвидовую).

Информативным способом формализации структуры древостоев является их представление в виде распределения деревьев по классам местоположения (Высоцкий К. К., 1962). Использование относительных диаметров позволяет сопоставлять структуру насаждений разного возраста (Гальперин, 1972; Мерзленко, Львов, 1996). Результаты исследований показали (таблица 1), что с увеличением возраста уменьшается разность между относительными диаметрами 10 и 1 классов местоположения (ДД>ТН).

Денопопуляция устойчива, если она гетерогенна (Ипатов, 1970).

На основании материалов исследований выделены 3 уровня устойчивости для популяций ели II - III класса возраста в связи с внешними стрессовыми воздействиями.

Таблица 1

Показатели структуры еловых насаждений

№1111 Состав А Л'общ ■^ели •Сотн. тт ■^ОТН. шах Д. -С^ОТН.

9 Прав. 10Е 26 2321 2321 0,44 1,95 - 1,51

29 Вериг. 9Е10лС+Б ед.Яс 27 2876 2458 0,48 1,66 1,18

23 Серг-П. 7Е20лС10с+Б+Лц 27 1988 1463 0,4 1,67 1,27

25 Хомяк. 9Е10лС 27 1938 1850 0,36 1,65 1,29

30 Прав, 6Е4Б 30 571 419 0,43 1,90 1,47

В-4 Огуд. 10Е+Б 33 1400 1313 0,53 1,47 0,94

2 Лесной 5ЕЗБ1С10с 34 1824 1332 0,52 1,82 1,30

10 Прав. 7Е2С1Б 34 3334 2667 0,49 1,72 1,23

16 Прав. 6ЕЗБ1С 37 1900 1462 0,50 1,8 1,30

17 Прав. 5Е5Б 37 1763 1188 0,49 1,79 1,30

18 Прав. 9Е1Б4+С 37 1620 1440 0,55 1,42 0,87

19 Прав. 9Е1С+Лц 37 1422 1133 0,54 1,37 0,83

20 Серг-П. 5Е30с2Б 38 1383 792 0,53 2,02 1,49

11 Прав. 7Е2С1Б 39 1800 1165 0,41 1,39 0,98

28 Мытищ. I: 10Б+С II: 10Е 45 533 2756 2756 0,46 1,79 1,33

1 Сокол. 6Е4С+Б 45 1550 1200 0,47 1,50 1,03

12 Мытищ. 9Е1Лц+С 45 1658 1460 0,54 1,50 0,83

14 Мытищ. 9Е1Лц 45 1520 1368 0,52 1,42 0,90

1-й уровень; насаждение, способное сохранять свою структуру без явных нарушений (не испытывающее стресс), характеризуется значениями А£>отн 1,27 - 1,3.

2-й уровень: внешний стресс (интенсивное загрязнение воздуха, рубки ухода, рекреационное воздействие) проявляется на первых порах в сокращении диапазона варьирования, причем продуктивность древостоя не снижается. Значение Д£)от„ находится в пределах 0,83 - 1,23 (дестабилизация насаждения). При усилении антропогенного воздействия, а также с увеличением возраста древостоя, значение этого показателя уменьшается.

3-й уровень характеризуется явным групповым распределением древостоя (Д£)от„ 1,47- 1,51). Снижается продуктивность, полнота и сомкнутость насаждений. Увеличение размаха варьирования Д£)отн вызвано распадом насаждения на отдельные ценоструктуры с поддержанием высокой устойчивости внутри биогрупп и при нарушении и ослаблении связей между ними.

Таким образом, антропогенное влияние, па первых порах, обычно уменьшает АDOTH. Как выборка деревьев IV - V классов Крафтг при рубках ухода, так и более быстрый их отпад вследствие наложения внешнего стресса на внутриценотический укорачивают ряд отио сительных диаметров со стороны меньших значений.

Начиная с III класса возраста в лесных культурах ели имеет место и верховой отпад быстро физиологически стареющих деревьев, i: основная масса деревьев сосредотачивается в средних ступенях толщины. Резкое падение ADOTH может свидетельствовать о "стрессовой" антропогенной нагрузке, когда компенсаторные механизмы лесного биогеоценоза еще не успели включиться. Впоследствии выжившие деревья нередко увеличивают прирост но диаметру, благодарг снижению конкуренции, и ADOTn будет медленно расти.

Наблюдается тенденция к увеличению, при сходных возрасте г густоте, среднего диаметра ели в тех случаях, когда состав насаждений приближается к чистому (14,9 см). Если доля ели снижается дс 5-6 единиц, то ее средний диаметр существенно ниже (12,5 см). В тс же время, значения ADorn изменяются противоположным образом Замедляется развитие еловой части древостоя под воздействием конкурентов, в первую очередь березы. Показатель ADOTH соответствует более молодому биологическому возрасту древостоя.

Наши данные подтверждают выводы С. А. Дыренкова (1984) что устойчивость популяции ели может противостоять ее продуктивности. Увеличение примеси березы приводит к увеличению ADOTH Еловая популяция более устойчива в смешанных насаждениях с примесью березы. Чистые насаждения характеризуются менее развито! кроной, они быстрее стареют биологически и раньше распадаются.

Поддержание высокого уровня ADOTI, обуславливается наиболее полным использованием экологических ниш, сохранением целостна сти насаждения и способностью противостоять внешним воздействиям и компенсировать отпад возобновлением ели.

Типы ранговой структуры еловых ценопопуляций представлень в виде графика на рис. 2. Данные выровнены с использованием полиномиального тренда 3-й степени.

Корреляционный анализ показывает, что ADorH зависит от мор-фометрической структуры насаждения, которая выражается чере; распределение деревьев по классам Крафта. С увеличением общего запаса уменьшается доля запаса 9-10 классов местоположения, г соответственно и роль деревьев-лидеров. На санитарное состояние ели большее влияние оказывает конкуренция с лиственными породами (г = 0,51), чем загрязнение воздуха оксидами серы и азота, еслг

Типы структуры популяций ели №11 классов возраста (по относительным диаметр aid)

и 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 О

у • 0,0027*' 0,0317х* + 0,21 R2» 0 S9S4 к + 0,2729

V = 00023*' 0 0301Х"*0 2< 22* ♦0.2554

^»0,9987

R3 * 0^9973

- Биогруллсвсе распределен«

- Не (спытывающее стресс Дестабилизация мэсажде**я

0 2 4 б 6 10

Классы меслнюлаженмк

Рис. 2

их концентрация не превышает 0,24 мг/м3 (г = 0,15). Интересно соотношение продуктивности и структуры насаждения: с увеличением запаса уменьшается значение Д£)отн (г = —0, 67).

Показатель структуры насаждения (Д£>отн) тесно связан с долей запаса господствующих классов местоположения (г = 0,86). Деревья, принадлежащие к этим классам, являются наиболее стабильной и характерной частью насаждения: От них во многом зависит устойчивость всего сообщества. С целью выяснения факторов, влияющих на эти деревья, были проведены регрессионный и дисперсионный анализы. Получено статистическое уравнение, учитывающее средний диаметр древостоя (хх), примесь лиственных пород (хг), степень загрязнения воздуха (хз) и санитарное состояние насаждений (Х4):

у = 68,1 - 1,23x1 + 1, 56х2 + 1,41х3 - 0,04х4.

Основное влияние на долю запаса господствующих классов местоположения оказывают средний диаметр древостоя (<¿1 = 62,7%) и примесь лиственных пород (¿2 = 18, 6%).

F — 14,37 > -^табл.) ^табл. — 3,0j

R2 = 0,83.

Запасы деревьев по классам местоположения, выровненные с помощью экспоненциального тренда (три типа развития), показаны на рис. 3.

Типы струстуры популяций ели 11-Ш класса возраста (по проценту запаса)

у • 0,9!

Г?- 5924

У • 1," /И

¿г*

О 2 4 б 8 10

Классы иесгопогоженмя

Рис. 3

—Не испытывающее стресс —■— Дестабилизация насаждения Биафуппоеое расгределен<е

В насаждениях с суженным диапазоном относительных диаметров деревья IV - V класса Крафта представлены значительно меньше.

Реакция насаждений на промышленные выбросы может происходить по разным типам, в зависимости от степени влияния на лесной фитоценоз иных факторов, в частности рекреации.

При незначительном уровне рекреации еловые насаждения в зоне интенсивного воздействия загрязнения представлены деревьями с более высокоподпятой кроной по сравнению с контрольными дре-востоями, что уменьшает устойчивость насаждения. Дальнейшее изменение структуры может идти по следующим типам:

2-й тип (дестабилизация насаждения) — случайное размещение деревьев сохраняется, но деревья имеют высокоподнятую крону; продуктивность насаждения не снижается, но вероятны дальнейшие изменения в древостое.

3-11 тип (биогрупповой) — в случае совместного интенсивного воздействия рекреации и промышленных выбросов усиливается дифференциация древостоя на биогруппы, с поддержанием функциональных связей внутри биогрупп и ослаблением связи между биогруппами. Дифференциация на биогруппы значительно изменяет световой режим, и, несмотря на сильное воздействие загрязнения, протяженность крон в данном случае значительно больше относительно древесного полога насаждения со случайным размещением. Древостой с биогрупповой структурой устойчивы к внешним воздействиям, но

имеют меньшую продуктивность.

Изучена дифференциация еловых древостоев на примере деревьев различных классов Крафта. В ходе развития древостоя доля деревьев I - Ш классов Крафта увеличивается, причем тем интенсивнее, чем сильнее уровень антропогенного воздействия. Важным следствием хронического атмосферного загрязнения является изменение ценотической структуры насаждений — уменьшение процента деревьев IV - V классов Крафта.

В еловых древостоях II - III классов возраста, способных противостоять техногенному стрессу, доля деревьев IV - V кл. Крафта колеблется от 23 до 35%; в дестабилизированных — от 10 до 25%; в сильно нарушенных, имеющих групповое распределение, доля этих деревьев колеблется в пределах 19 - 34%.

Деревья IV - V кл. Крафта играют определенную стабилизирующую роль:

— удерживают физическое пространство, что препятствует образованию "окон";

— сдерживают развитие своих соседей, отчего ценопопуляция медленнее проходит возрастные этапы.

Глава Б. ДИНАМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ ЕЛОВЫХ ЛЕСОВ ПОДМОСКОВЬЯ

Климаксовое лесное сообщество является результатом взаимодействия природно-биоцеиотических и антропогенных факторов. Наиболее совершенной внутренней структурой отличаются разновозрастные хвойные и хвойно-лиственные насаждения. Относительная устойчивость деревьев длится до возраста спелости.

Изучены еловые насаждения, растущие на морене и флювиогля-циальных отложениях в дальней и средней частях Никольской лесной дачи. Основные статистические показатели распределения деревьев ели по диаметру приведены в таблице 2.

Статистические показатели свидетельствуют о сравнительно высокой однородности еловых насаждений. Средний диаметр приспевающих, спелых и перестойных насаждений находится в пределах от 27,9 до 36.5 см. Коэффициент вариации колеблется от 22,6 до 35,6%.

Промышленное загрязнение с одной стороны ослабляет древостой, делая его более восприимчивым к болезням, а с другой — может подавлять развитие грибных заболеваний. В районе интенсивного загрязнения атмосферного воздуха оксидами серы и азота развитие корневой губки подавляется. Однако в буферной и контрольной зонах достоверной связи между загрязнением атмосферного воздуха и

Таблица 2

Статистические показатели распределения деревьев ели по диаметру

Номер Возраст, Dcp ± т, S, см V, % Р, %

пробной лет см

площади

В-7 70 23,7 ± 0,9 7,04 29,7 3,8

В-13 80 27,9 ±0,7 7,64 27,4 2,4

В-10 90 29,7 ±0,9 7,73 26,0 3,0

С-1 100 29,8 ±0,6 7,37 24,7 2,0

В-2 100 30,9 ± 1,4 7,86 25,5 4,7

В-9 100 31,4 ± 1,5 11,18 35,6 4,6

В-3 100 31,6 ± 1,1 9,67 30,6 3,4

В-12 100 32,2 ±0,9 9,06 28,1 2,8

С-2 115 36,5 ± 1,0 8,25 22,6 2,7

пораженностыо еловых древостоев Никольской лесной дачи корневой губкой не выявлено.

Проблема возобновления леса в связи с антропогенным воздействием включает в себя как изучение природных тенденций, так и оценку влияния антропогенного фактора. Определение природно-биоценотических тенденций возобновления проводилось на территории санитарно-защитной зоны (СЗЗ) МосНПО "Радон".

Сопоставление результатов геоботанических исследований десятилетней давности, проводившихся на территории СЗЗ, с нашими исследованиями убеждают в направленном развитии на исследуемой территории хвойно-широколиственных лесов, при котором происходит закономерная смена мелколиственных пород елью и дубом. "Участие липы в елово-дубовых насаждениях представляется весьма незначительным.

Если стабильные насаждения обеспечивают благонадежное возобновление, то они приобретают свойства динамически стабильных. Так как лесные насаждения выполняют разнообразные функции, то и необходимый уровень устойчивости зависит от функционального назначения фитоценоза. При выращивании древесных плантаций для максимального получения биомассы уровень устойчивости необходимо поддерживать только до момента рубки, не акцентируя внимание на выполнении природоохранных функций и естественном возобновлении. В лесах зеленых зон приоритет имеют экологические функции насаждений.

Критериями для оценки динамической стабильности могут яв-

ляться: положение сообщества в сукцесснонном ряду и ранговая структура цеиопопуляции. Также следует учитывать соответствие эдификатора условиям местопроизрастания, состояние древостоя, пространственную структуру, биологический возраст пород, обеспечение благонадежного естественного возобновления, способного заместить материнский полог.

Насаждения разных стадий сукцессии характеризуются различной динамической стабильностью. При минимальном вмешательстве человека уровень устойчивости насаждений повышается от мелколиственных через еловые к хвойно-широколиственным. Чаще в ближнем Подмосковье происходит деградация, исторически связанная со сведением хвойно-широколиственных лесов па плодородных почвах; создание лесных культур ели, у которых при сильном промышленном загрязнении ухудшается санитарное состояние и затем происходит смена мелколиственными насаждениями. Необходимый уровень устойчивости лесного сообщества зависит от функционального назначения фитоценоза. Устойчивость следует рассматривать в пределах инварианта, сопоставляя развитие эталонных лесов с данным насаждением.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ ПОДМОСКОВЬЯ В УСЛОВИЯХ УСИЛИВАЮЩЕЙСЯ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

Ведение хозяйства в еловых лесах, подверженных загрязнению атмосферного воздуха зависит от функционального назначения насаждений.

Если цель лесохозяйственных мероприятий ■— высокая продуктивность насаждений с коротким оборотом рубки, рекомендуется на богатых и дренированных почвах создание чистых еловых насаждений, или с примесью до 3 единиц лиственницы. В первой зоне загрязнения участие сосны не рекомендуется т. к. она выпадает в первые 50 - 60 лет. Во второй же и третьей зонах вместо лиственницы можно использовать примесь сосны.

В случае, когда главная задача — поддержание устойчивости насаждений в течение длительного времени, допускается примесь березы до 3 единиц. При этом желательно равномерное распределение экземпляров березы в насаждении. Значительные куртины березы допускать не рекомендуется.

Важно создание вертикальной сомкнутости: содействие переходу насаждения в двухъярусное, содействие развитию подлеска, в первую очередь из рябины. Участие в составе насаждения липы, которая хо-

тя и является конкурентом ели в низших классах местоположения, в целом, благоприятно. Развитие лещины не всегда можно приветствовать — она является сильнейшим конкурентом нодросту ели.

Рубки ухода следует проводить малой интенсивности. Появление "окон" недопустимо. Особое внимание следует уделять сохранению в насаждении деревьев как прегосподствующпх, так и отстающих в росте — сохранять максимальное разнообразие и сложность структуры, возможные в данных условиях, которые можно оценивать с использованием показателя А0отн-

Целесообразно сочетание из условно-коренных насаждений и барьеров из лиственных пород, с густым подлеском. Леса такого типа эффективны при сдерживании антропогенного стресса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Структура, устойчивость и санитарное состояние еловых насаждений отражают их приспособленность к конкретной экологической обстановке, в том числе и к антропогенным воздействиям.

2. Длительные антропогенные воздействия на леса Подмосковья, среди которых значительное место занимает загрязнение атмосферного воздуха, приводят к трансформации еловых насаждений на разных уровнях.

3. Механизмы формирования состава и структуры еловых насаждений различны. Они тесно связаны с интенсивностью изрежива-ния, и включают в себя как воздействие экологических факторов, существенную долю которых в условиях Московской области составляют антропогенные, так и конкуренцию (внутри- и межвидовую).

4. Полученные результаты показывают, что санитарное состояние насаждений определяется комплексом факторов. Ключевыми изменениями в состоянии дерева являются переходы от здорового к сильно ослабленному и от сильно ослабленного к усыхающему. Процесс перехода деревьев от сильно ослабленных к сухостою идет сравнительно быстро. При интенсивном воздействии в первую очередь отпадают наиболее ослабленные деревья.

5. Выявлена группа информативных признаков для характеристики структуры и устойчивости еловых сообществ, а именно: разность между относительными диаметрами (Д£)отн), доля запаса деревьев 9-10 классов местоположения, примесь лиственных пород, участие в пологе деревьев 1 - III классов Крафта.

6. При близких возрасте, полноте и густоте средний диаметр ели больше в тех случаях, когда состав насаждений приближается к чи-

стому. Если доля ели снижается до 5 - 6 единиц, то ее средний диаметр существенно ниже. Примесь лиственных пород сильнейшим образом создает конкуренцию ели, снижает ее таксационные показатели и замедляет развитие насаждений.

7. Выделены три типа развития еловых насаждений II — III класса возраста в связи с внешними стрессовыми воздействиями.

1) Насаждение, способное сохранять свою структуру без явных нарушений (не испытывающее стресс), характеризуется значениями ДД^н 1,27... 1,3.

2) Внешний стресс проявляется в сокращении диапазона варьирования, причем продуктивность древостоя не снижается. Значение ДДэтн находится в пределах 0,83... 1,23 (дестабилизация насаждения).

3) Третий тип характеризуется явным групповым распределением древостоя (ADOTH 1,47.. .1,51).

8. Важное следствие хронического атмосферного загрязнения — уменьшение доли деревьев IV - V классов Крафта.

9. При многолетнем отсутствии лесохозяйственной деятельности наблюдается тенденция к восстановлению коренных — хвойно-широколиственных лесов.

30. Необходимый уровень устойчивости лесного сообщества зависит от функционального назначения насаждения. Устойчивость следует рассматривать в пределах инварианта, сопоставляя развитие эталонных лесов с данными насаждениями.

Выявленные параметрические особенности лесных фитоценозов могут стать той основой, на которой должно строиться принятие хозяйственных решений, проектирование мероприятий по эксплуатации и охране леса.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Коротков С. А. Устойчивость лесных экосистем Подмосковья.//Тезисы докладов научно-практической конференции "Сохранение и восстановление природно-культурных комплексов Подмосковья" — М.,1994.— С. 25.

2. Коротков С. А. Влияние неблагоприятных факторов на состояние и устойчивость еловых п елово-сосновых насаждений Московской области. // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов" — М.,1994.— Том 3.— С. 81-82.— ISSN 0540—9691.

3. Коротков С. А. Некоторые проблемы лесопользования Московской области. // Лесной экономический вестник.— 1995.—Л'5 2.—

С. 20-24.

4. Короткой С. А. О влиянии промышленных выбросов на еловые насаждения Московской области //В сб. Вопросы лесоведения и лесоводства. Научн. труды МГУЛ.— 1995.—Выи. 274.— С. 141— 148.—ISSN 0540—9691.

5. Голубев В. А., Короткой С. А. Влияние загрязнения воздуха на санитарное состояние сосновых насаждений Павлово-Посадского района. // В сб. Вопросы лесоведения и лесоводства. Научн. труды МГУЛ.—1995.—Вып. 274,— С. 189-195 —ISSN 0540—9691.

6. Горбунова М. А., Крючкова Г. А., Коротков С.А. Тенденции естественного возобновления при многолетнем отсутствии лесохозяй-ственной деятельности в Подмосковье. // В сб. Вопросы лесоведения и лесоводства Научн. труды МГУЛ.—1995.—Вып. 274.—С. 203— 209.—ISSN 0540—9691.

7. Коротков С. А. Экологические факторы и состояние лесов Подмосковья. // Лесной экономический вестник.—1996.—1.— С. 15-17.

8. Обыденников В. И., Коротков С. А., Волков С. Н. Проблемы системных исследований антропогенной динамики леса //"Эколого-экономические проблемы лесостепных регионов" / Материалы выездного заседания Российской Академии естественных наук. М. -Пенза, 1997.—С. 138-144.

9. Обыденников В. П., Волков С. Н., Коротков С. А. Отдельные вопросы рационального лесопользования в Европейской части России // Лесной экономический вестник.—1997.—Л'5 3.—С. 7-10.

10. Дробышев Ю. И., Коротков С. А. Львов 10. Г. Изменение пространственной структуры лесов Подмосковья под воздействием антропогенных факторов // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы охраны и рационального использования природных экосистем и биологических ресурсов", посвященной 125-летию И. И. Спрыгина, Пенза, 1998.—С.164-166.

11. Обыденников В. И., Голубев В. А. Коротков С. А. Сертификация лссоводственных систем // Лесной экономический вестник.— 1998.—№ 2,— С. 26-28.

12. Коротков С.А., Львов Ю.Г., Дробышев Ю.И. Структура еловых насаждений Клинско- Дмитровской гряды в условиях хронического загрязнения воздуха // Сб. науч. тр.: Лесопользование и воспроизводство лесных ресурсов./ МГУЛ — 1998 — Вып. . (в печати)

13. Дробышев Ю. И., Коротков С. А. Стабильность лесных экосистем в условиях урбанизации //От истории к истории общества;

прошлое в настоящем и будущем. История взаимодействия общества и природы М.: ИИЕТ (в печати)

14. Дробышев 10. И., Короткое С. Л., Стоножеико Л. В. К вопросу о строении и изменчивости древостоев в условиях стресса // Мониторинг состояния зеленого фонда города: методы, средства, прогноз и принятие решений М.: МГУЛ (в печати).

Подп. К печ./1/Ш г. Объем! п. л. Зак. У/о Тир. 100

Издательство Московского государственного университета леса

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Коротков, Сергей Александрович, Москва

Московский государственный университет леса

На правах рукописи

Короткое Сергей Александрович Л

Особенности формирования ельников в условиях антропогенного стресса (на примере лесов Клинско-Дмитровской гряды)

Специальность 03.00.16 Экология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель диссертации академик РАЕН,

доктор с. - х. н., профессор В. И. Обыденников

Научный консультант диссертации академик МАНЭБ,

доктор б. н., профессор В. С. Николаевский

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА I. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА НА ЛЕСНЫЕ 9 НАСАЖДЕНИЯ

1.1. Влияние промышленных выбросов на состояние лесов 9

1.2. Воздействие загрязняющих веществ на лес как природное со- 19 общество

1.3. Устойчивость лесных фитоценозов. Использование биоинди- 32 кации

ГЛАВА II. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 40

2.1. Условия местопроизрастания 40

2.2. Характеристика лесного фонда 46

2.3. Состояние атмосферного воздуха региона. Рекреационное воз- 57 действие на лес

ГЛАВА III. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗ- 64 ДЕЙСТВИЯ НА ЕЛОВЫЕ ЛЕСА ПОДМОСКОВЬЯ

3.1 Программа, методика исследований, характеристика объектов 64 и объем работ

3.2. Особенности выделения зон с различным уровнем промыш- 70 • ленного загрязнения и рекреационной нагрузки

ГЛАВА IV. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ЕЛОВЫХ НАСАЖДЕ- 78 НИЙ В УСЛОВИЯХ УСИЛИВАЮЩЕЙСЯ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

4.1. Санитарное состояние насаждений 78

4.2. Структура еловых лесов в условиях промышленного загрязнения 85

ГЛАВА V. ПРОГНОЗИРУЕМАЯ ДИНАМИКА ЛЕСОВ ПОД- 103 МОСКОВЬЯ

5.1. Особенности естественного возобновления при изменяющйся Ю5 антропогенной нагрузке.

5.2. Устойчивость еловых насаждений Подмосковья.

111

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕСНЫХ 118 НАСАЖДЕНИЙ ПОДМОСКОВЬЯ В УСЛОВИЯХ УСИЛИВАЮЩЕЙСЯ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

119

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Литература. Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Постоянно усиливающееся воздействие человека на окружающую среду - одна из глобальных проблем нашего времени. Ныне серьезные нарушения экологической обстановки отмечаются более чем на 50% территории России (А. В. Хабаров и др., 1996). Экологическое равновесие, прежде всего, нарушено в обжитых районах страны, что превращает их в истощенные, опасные для соседних и отдаленных территорий.

Проблемам сохранения биологического разнообразия, изучения продуктивности и санитарного состояния лесов под воздействием загрязнения воздуха уделялось большое внимание на крупнейших международных форумах (X мировом лесном конгрессе, Париж, 1991; Конференции ООН по окружающей среде и развитию, Рио-де-Жанейро, 1992; XX Мировом конгрессе ИЮФРО, Тампере, 1995 и т. д.). Вопросы ведения хозяйства в лесах, подверженных промышленным выбросам неоднократно обсуждались в Российском лесном НТО. В различных регионах мира проводится изучение влияния загрязнения воздуха на лес. Результаты исследований нашли отражение в многочисленных публикациях.

Лесные экосистемы, особенно хвойные насаждения, выполняют важнейшие природоохранные функции, стабилизируя разрушительные процессы, происходящие в биосфере. За последние десятилетия XX века значительно усилились антропогенные воздействия на лес. Изменения, происходящие под воздействием различных загрязнений почвы, воды и воздуха и т.д., рекреационных нагрузок ухудшают санитарное состояние лесов, снижают устойчивость насаждений. Особую опасность представляет хроническое ослабление лесных экосистем под действием промышленных выбросов, весьма характерное для Московской области. Деградация насаждений может привести к локальному экологическому кризису.

В лесной зоне одной из основных лесообразующих пород является ель. На долю еловых насаждений приходится 12,0% от общей площади и 14,7% от общего запаса древесных пород страны (Лесной фонд СССР, 1991). Еловые леса

имеют важное сырьевое значение; являются одним из основных источников деловой древесины в России. Эти леса играют значительную средоформирующую роль. Ель - типичная порода-эдификатор. Поэтому изучение особенностей развития еловых насаждений под влиянием антропогенных нагрузок - важная природоохранная задача.

Ель европейская (Picea abies (L.) Karsten) в Московской области находится вблизи южной границы своего ареала, в большинстве случаев в благоприятных почвенно-гидрологических условиях (Абатуров, 1978). В данном районе практически все древостой с преобладанием ели и полнотой более 0,6 представлены лесными культурами (Леса Восточного Подмосковья, 1979). Запас еловых насаждений в Московской области составляет 97,24 млн. куб. м (29,2% от общего), а площадь - соответственно 394,1 тыс. га (25,6%) (Лесной фонд России, 1995). Наблюдается тенденция к увеличению этих показателей.

Многочисленные исследования в области влияния загрязнения воздуха на лес нередко проводились либо на эколого-физиологическом уровне, либо носили оценочный характер на глобальном уровне. Морфометрическая структура и устойчивость еловых лесов в условиях загрязнения атмосферы изучены недостаточно.

Цель и задачи

Основная цель работы - определение особенностей формирования еловых насаждений под действием усиливающихся антропогенных нагрузок, главным образом промышленных выбросов, в наиболее производительных для ели районах Московской области (Клинско-Дмитровской гряде, Подмосковной Мещере, Москворецко-Окской равнине).

В рамках поставленной цели рассматривались следующие задачи:

• экологическая оценка загрязнения воздуха;

• выделение экологических зон с различным уровнем загрязнения

воздуха оксидами серы и азота;

• изучение влияния экологических факторов на состояние еловых

насаждений;

• определение основных лесоводственно-таксационных показателей и санитарного состояния деревьев и насаждений в каждой зоне;

• изучение реакции деревьев различных классов Крафта на промышленное загрязнение;

• учет и оценка подроста, подлеска и напочвенного покрова в связи с антропогенным воздействием; определение тенденций развития нижних ярусов при изменениях, происходящих в структуре верхнего полога насаждения;

• выявление изменений, происходящих в еловых насаждениях при участии комплекса неблагоприятных факторов;

• оценка значения экзогенных факторов в динамике насаждений; изучение устойчивости и прогнозирование динамики насаждений

с различной долей участия ели и разной структурой в условиях усиливающейся антропогенной нагрузки.

• обоснование принципов долгосрочного контроля за состоянием насаждений под воздействием промышленных выбросов;

• разработка рекомендаций по формированию еловых насаждений, подверженных загрязнению воздуха в Центральном регионе.

Объекты исследования

В соответствии с поставленными задачами было проведено изучение состояния наиболее часто представленных групп типов леса исследуемого района - ельников-зеленомошников, ельников-травяных и ельников-сложных (условно-коренных типов леса).

Объектами исследований были чистые и смешанные еловые насаждения (лесные культуры II-III класса возраста и спелые леса естественного происхождения), а также типичные для данного региона насаждения, находящиеся на различных стадиях сукцессии.

Научная новизна

В результате проведенных исследований выделены зоны с различными уровнями загрязнения воздуха и рекреационного воздействия. Выявлено различие в реакции насаждений различных сочетаний ели и сосны к промышленным

выбросам для условий Клинско-Дмитровской гряды. Показано, что от загрязнения воздуха более страдают деревья IV-V классов Крафта, особенно в насаждениях с пониженной полнотой. Установлена тенденция к дифференциации насаждений на биогруппы под антропогенным воздействием, начиная со второго класса возраста. Дана оценка антропогенных и природно-биоценотических тенденций развития насаждений с использованием комплексного показателя - динамической стабильности насаждений.

Практическая значимость

Полученные данные могут использоваться для выделения критерия устойчивости насаждений. Результаты исследования делают возможным прогнозирование роста и развития типичных насаждений Московской области в условиях усиливающейся антропогенной нагрузки, и обоснование охранных мероприятий. Предложены рекомендации по оптимизации состава и структуры насаждений при различном уровне загрязнения воздуха в Московской области и районах с аналогичными природными условиями.

Выводы и материалы работы используются при проведении научно-исследовательских работ на территории Московской области и в учебном процессе МГУЛ по курсу "Лесоведение".

На защиту выносятся: критерий оценки состояния и устойчивости еловых лесов при экологическом мониторинге с использованием ранговой структуры древостоя.

Апробация работы

Отдельные результаты исследований докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (1994 г.), научно-практической конференции «Сохранение и восстановление природно-культурных комплексов Подмосковья» (1994 г.), чтениях, посвященных 90-летаю со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, академика, доктора сельскохозяйственных наук, профессора Мелехова Ивана Степановича (1995 г.), симпозиуме «Состояние современного лесного комплекса, образование, наука, промышленность» (1996 г.), заседании секции лесоводства РАСХН (1996 г.), Всероссийской научно-

практической конференции "Проблемы охраны и рационального использования природных экосистем и биологических ресурсов", посвященной 125-летию профессора И. И. Спрыгина (г. Пенза, 1998 г.), научно-методической конференции "Мониторинг состояния зеленого фонда города: методы, средства, прогноз и принятие решений" (1998 г.), научной конференции от истории природы к истории общества; прошлое в настоящем и будущем. История взаимодействия общества и природы", научно-технических конференциях преподавателей и аспирантов МГУЛ (1994,1995,1997,1998 гг.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ (6 из них - в соавторстве). 3 работы находятся в печати.

Личный вклад

Автором разработаны научное обоснование, программа, методика работ; проведен сбор полевых материалов и камеральная обработка данных, выполнен анализ полученных результатов с использованием статистико-математических методов, предложены рекомендации по формированию насаждений.

Особенности работы

Работа основывается на теоретических положениях учения о лесе и экологии Г. Ф. Морозова, В. Н. Сукачева, Н. В. Третьякова, М. Е. Ткаченко, И. С. Мелехова, К. К. Высоцкого, В. Г. Карпова, С. Н. Сеннова, Ю. 3. Кулагина, В. С. Николаевского, У. Смита и др.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, предложений по оптимизации формирования лесных насаждений в условиях усиливающейся антропогенной нагрузки, заключения, списка литературы из 316 наименований (в том числе 34 на иностранных языках) и четырех приложений. Текстовая часть диссертационной работы изложена на 119 страницах, включая 22 таблицы и 12 рисунков.

ГЛАВА I. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА НА ЛЕСНЫЕ

НАСАЖДЕНИЯ

с

Изучая формирование лесных фитоценозов, можно выделить два аспекта: развитие насаждения под влиянием природно-биоденотических факторов, и роль воздействий человека в этом процессе.

1.1. Влияние промышленных выбросов на состояние лесов

Изучение закономерностей формирования насаждений

Первые наблюдения по формированию лесных насаждений появились в работах ученых в конце XVIII и начале XIX веков (Болотов, 1766; Зябловский, 1804; Котта, 1835). Это был этап начального накопления информации.

Еще в 1766 году А. Т. Болотов отмечает характерные свойства развития деревьев, растущих в насаждении: "Всякое молодое дерево, стоящее в тесноте с другими растет прямее и бежит вверх гораздо скорее того, которое стоит на просторе и сучья свои в стороны распространить имеет место".

Формирование насаждений представляет собой непрерывный процесс, тесно связанный с особенностями возобновления и зависящий от географического положения, биологических свойств пород, формирующих насаждение, условий местопроизрастания и факторов внешнего воздействия.

Отдельные аспекты формирования лесных сообществ нашли отражение в трудах лесоводов (Рудзкий, 1878, 1897; Турский, 1886; Кравчинский, 1903 и др.). Ими были разработаны концепции и методы ведения лесного хозяйства для различных регионов.

Г. Ф. Морозов (1904, 1912, 1928, 1930 и др.) обосновал общие закономерности динамики леса. Он выделял следующие основные факторы лесообра-зования: лесорастительную среду, биологические свойства лесообразующих пород, историю или генезис развития насаждений. На все эти факторы и, соответственно, их лесообразующие экологические функции, накладывается хозяйственная деятельность человека, которая органически изменяет их действие. Фундаментальный вклад в развитие данных положений внесли Н. С. Нестеров

(1960), Г. Н. Высоцкий (1928), Н. В. Третьяков (1927), М. Е. Ткаченко (1939, 1952), Л. А. Иванов (1946), Clements (1916) и мн. др.

В работе Н. С. Нестерова "Очерки по лесоведению" (1960) на обобщенном опыте предшественников и собственных наблюдениях показаны такие важные аспекты формирования лесных фитоценозов, как дифференциация деревьев в различных насаждениях, процесс очищения стволов от сучьев, взаимовлияние ветра и леса.

В дальнейшем различные стороны одного из наиболее сложных вопросов лесоводства - формирования насаждений, - рассматривались во многих трудах (Сукачев, 1928, 1953; Эйтинген, 1962; Мелехов, 1946, 1968, 1980; Победин-ский, 1973; Воропанов, 1950; Георгиевский, 1957; Карпов, 1969; Молчанов, 1961,1968; Дыренков, 1971; Дылис, 1969; Сеннов, 1984; Работнов, 1978; Лосиц-кий, Чуенков, 1980; Spurr, Barnes, 1973; Kuusela, 1993 и мн. др.).

Среди факторов внешнего воздействия на лес особое место принадлежит влиянию человека, которое можно условно разделить на следующие группы:

• рубки: главного пользования и промежуточные;

• лесокультурная деятельность и удобрения;

• влияние загрязнения воздуха и рекреационных нагрузок;

• изменения, связанные с мелиорацией;

• лесные пожары и мн. др.

(Морозов, 1912; Ткаченко, 1939; Мелехов, 1966; Кайрюкштис, 1969; По-бединский, 1977; Кулагин, 1974; Сеннов, 1984 и др.).

В Московской области изучение особенностей формирования насаждений проводились Н. В. Шелгуновым (1842), А. Ф. Рудзким (1878), М. К. Тур-ским (1886), Н. С. Нестеровым (1960), В. В. Алехиным (1947), В. П. Тимофеевым (1969), В. М. Рябининым (1965), В. Г. Атрохиным (1967), Л. П. Рысиным (1987), В. И. Обыдённиковым (1995), В. С. Николаевским (1993, 1995), Е. Г. Мозолевской (1995) и др.

Исследования в области воздействия промышленных выбросов на лес.

Ныне одной из главных причин, вызывающих массовое ослабление и усыхание лесных экосистем считается загрязнение воздуха промышленными и автомобильными выбросами.

Систематическое изучение влияния загрязнения воздуха на растения начато в 1849 г. в Германии, в России приоритет принадлежит В. Сабашникову (1911).

Специальные исследования дымоустойчивости растений в нашей стране были начаты с 1934 г. Н. П. Красинским и его сотрудниками в промышленных центрах Московской и Горьковской областей (Красинский, 1950). Ими проанализированы дымоустойчивость различных древесных растений, составлена шкала устойчивости древесных растений к вредным выбросам. Н. П. Красинский предложил определение газоустойчивости как способности растений противостоять действию вредных газов, сохраняя нормальный рост, развитие и декоративность, и выделил три вида газоустойчивости: биологическую, анатомо-морфологическую и физиолого-биохимическую.

Поглощение растениями сильнодействующего ассимиляционного яда -диоксида серы изучено Томасом и Хиллом (Thomas & Hill, 1937).

Ю. 3. Кулагиным (1974, 1980) рассмотрены различные уровни организации защиты растений на основе концепции преадаптации к неблагоприятным экологическим условиям. Он выделил анатомическую, физиологическую и биохимическую формы дымоустойчивости на клеточно-тканевом уровне; габиту-альную, феноритмическую, анабиотическую и регенерационную - на организ-менном; популяционную и ценотическую - на популяционно-ценотическом уровне.

В. С. Николаевский (1979, 1989) провел анатомические и физиологические исследования по изучению механизмов поглощения сернистого газа и перераспределения серы в растениях, рассмотрел механизм повреждающего действия газа и эколого-биологические основы устойчивости растений. Им впервые в мире разработан метод и определены физиологические нормативы (ПДК) допустимого загрязнения воздуха для лесной растительности и временные нормативы ПДК для насаждений музея-усадьбы Ясная Поляна. Также разработан ме-

тод определения и расчета экологических нормативов оксидов серы и других ингредиентов на лесные насаждения Европейской территории страны. Кроме тог