Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пылеулавливающие свойства лесных экосистем в лесостепных районах Средней Сибири

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Пылеулавливающие свойства лесных экосистем в лесостепных районах Средней Сибири"



л

На правах рукописи

СКРИПАЛЬЩИКОВА Лариса Николаевна

ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИЕ СВОЙСТВА ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ В ЛЕСОСТЕПНЫХ РАЙОНАХ СРЕДНЕЙ СИБИРИ

03.00.16 "Экология"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Красноярск - 1997 г.

Работа выполнена в лаборатории биофизики леса Института леса им.В.Н.Сукачева СО РАН

Научный руководитель ■

заслуженный деятель науки РСФСР, доктор сельскохозяйственных наук, почетный академик РАЕН, профессор

В.В.Протопопов

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Е.Н.Савин

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Л.Н.Козлова

Ведущая организация - Красноярский государственный аграрный университет

Защита диссертации состоится " СМП^и-У 1997 г. часов на заседании диссертационного совета К 002.70.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте леса им.В.Н.Сукачева по адресу:

660036, Красноярск, Академгородок, Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института леса им.В.Н.Сукачева СО РАН

Автореферат разослан_199 / г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук, „ »

старший научный сотрудник г/Ьс/^^Л - О.А.Зырянова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из наиболее актуальных проблем современности является проблема чистоты атмосферного воздуха. Лесные экосистемы способны сильно влиять на состав атмосферного воздуха, являясь поглотителями различных примесей. В первую очередь необходима оценка пылеаккумулирующих свойств древостоя-элемента лесных экосистем наиболее важного как в структурном, так и в функциональном смысле.

В условиях антропогенного воздействия на биосферу, поглощающая способность лесных экосистем приобретает особую важность. Изучение количественных показателей пыле-газопоглотительных свойств лесных экосистем в техногенных и урбанизированных ландшафтах позволяет раскрыть их экологические функции и стабилизирующие связи, способствующие сохранению важных для человека и всего живого компонентов биосферы - воздуха, воды и почвы.

Сильный антропогенный стресс, обусловленный возрастанием пылевого загрязнения с выбросами промышленности, ТЭС, угольных карьеров, разрабатываемых открытым способом, в последнее время испытывают лесостепные районы Средней Сибири, характеризующиеся незначительной лесистостью и напряженной экологической ситуацией. Поэтому решение поставленной проблемы - изучения пылеаккумулирующих свойств лесных экосистем в этом регионе актуально.

Цели и задачи исследований. Цель исследований заключалась в количественной оценке пылеулавливающих свойств лесных экосистем различных по возрасту и биофизическим конструкциям и возможности их эффективного использования для улучшения санитарно-гигиенических свойств окружающей среды в техногенных и урбанизированных ландшафтах. Согласно поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить аккумулирующую способность и выявить закономерности перехвата лесными экосистемами техногенной, угольной и дорожной пыли в зависимости от их биофизических конструкций.

2. Определить изменения микроэлементного состава в хвое и листьях древесных растений и растениях живого напочвенного покрова, произрастающих в зонах техногенных выбросов.

3. Разработать практические рекомендации, направленные на повышение устойчивости исследуемых насаждений и на поддержание ими оптимальных условий окружающей среды в зонах с повышенной пылевой нагрузкой с тепловых станций, угольных карьеров и дорог с интенсивным автомобильным движением.

Научная новизна работы. Впервые для условий Средней Сибири экспериментально получены количественные показатели аккумуляции лесными экосистемами техногенной, угольной и дорожной пыли в зависимости от биофизических конструкций насаждений. Определены количественные характеристики накопления ряда микроэлементов, присутствующих в выбросах ТЭС, на поверхности, в хвое и листьях древесных пород, а также

в растениях живого напочвенного покрова. На основе моделирования пы-ленесущего воздушного потока с моделями лесных полос из сосны и березы, установлены максимальные величины аккумуляции пыли.

Практическая ценность результатов исследований заключается в возможности использования научно-обоснованных рекомендаций для создания насаждений с повышенной санитарно-гигиенической активностью, максимально эффективно выполняющих функции пылеаккумулирования, в районах с высокой запыленностью атмосферного воздуха с тепловых станций и угольных карьеров.

Количественные параметры накопления техногенной пыли и ее составляющих могут быть использованы при проведении экологических экспертиз и составлении прогнозов изменения состояния биоценозов в зонах с техногенными нагрузками, при разработке технико-экономических обоснований строительства тепловых станций в районах с открытой добычей бурого угля.

Результаты исследований нашли отражение в практических рекомендациях "Диагностика состояния насаждений, подверженных действию техногенных выбросов тепловых электростанций," (1990).

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых ИЛиД СО АН СССР (Красноярск, 1983; 1988), на Всесоюзных совещаниях и конференциях (Новосибирск , 1984; Красноярск, 1989; 1991; Днепропетровск, 1990; Москва, 1990, 1994) и региональных конференциях (Улан-Удэ, 1984; Томск, 1995 ) , посвященных проблемам охраны окружающей среды и рационального использования лесных ресурсов; на Международной конференции "Экосистемы Азии и их защита"(Монголия, Улан-Батор, 1995). По материалам диссертации опубликовано 18 работ .

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения , приложения. Она изложена на 187 стр. машинописного текста, содержит 28 таблиц и 22 рисунка. Список литературы включает 164 наименования, в том числе 7 иностранных.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

В главе обобщены и проанализированы литературные данные по вопросу изучения пылеулавливающих функций лесных экосистем. Достаточно хорошо исследуемый вопрос освещен для зеленых насаждений в городских условиях (Докучаева, 1952; Гусев, 1952; Берлянд, 1966; Air pollution, 1962; Лунц, 1966; Протопопова, 1972, 1987; Докчинжер, 1980; Мальков, 1986; Крючков, 1987; и др). В естественных насаждениях в техногенных зонах пылеулавливающие свойства изучены в основном на европейской территории России и за рубежом. В литературе пылеосаждающая способность различных древесных пород рассматривается в основном в зависимости от расстояния их до источника загрязнения, степени облиствения, местоположения и морфологических особенностей листьев (Дончева, 1978;

Кулагин, 1980, 1982; Загрязнение воздуха и жизнь растений, 1988; Алексеев, 1990; М. Mandre, 1995). Показано, что высокие пылепоглотительные свойства древесных насаждений достигаются за счет исключительно большой адсорбционной поверхности древостоя (Протопопов, 1975; Белов, 1982; Илькун, Маховская, 1982; Крючков, 1987). Литературные данные дают в основном общее представление о роли лесных экосистем в процессе аккумуляции пыли. Недостаточно изучены пылеаккумулирующие свойства насаждений в зависимости от их биофизических конструкций, ле-соводственно-таксационных показателей и биометрических характеристик. На территории Сибири пылеаккумулирующие свойства естественных насаждений изучены особенно слабо.

Анализ литературы убеждает нас в актуальности выбранной темы исследований.

2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЙОНОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились в сосновых и березовых насаждениях разнотравной - наиболее распространенной группы типов леса, произрастающих на территории Красноярско-Ачинской и Канской лесостепей в техногенных и урбанизированных ландшафтах.

По лесохозяйственному районированию (Смагин и др., 1978) территория Красноярской лесостепи относится к Красноярско-Канскому району подтаежно-лесостепной группы районов Западно-Сибирской равнины и по лесорастительным условиям - к району Красноярской островной лесостепи подзоны травянистых лесов и островных лесостепей. Климат лесостепи резко континентальный, умеренно теплый, недостаточно влажный. Среднегодовое количество осадков - 496 мм. Преобладают ветры западных направлений. Под лесными формациями преобладают дерново-подзолистые и серые лесные почвы (Огиевский, 1966). Современный растительный покров -это сочетание сельскохозяйственных и урбанизированных ландшафтов, на которых произрастают чистые и смешанные сосновые, березовые и осиновые насаждения в основном разнотравной и зелено-мошной группы типов леса. Лесистость территории колеблется от 20-25% (Зюбина, 1988).

В Ачинской лесостепи исследования проводились в сосновых и березовых насаждениях, произрастающих в Назаровской впадине. Климат резко континентальный, с преобладанием в зимнее время антициклонального типа погоды .Осадков на равнинной части впадины выпадает в среднем 450-520 мм в год. В течение всего года преобладают южные, юго-западные и западные ветры. Растительный покров сильно трансформирован хозяйственной деятельностью .В некоторых районах (особенно Назаровском) лесистость с экологической точки зрения ниже пороговых -16%. Примерно 30% лесов находится в нестабильном состоянии (Протопопов, 1983). Почвы преобладают серые лесные, дерновые лесные и лугово-черноземные,

оподзоленные и выщелоченные черноземы (Шугалей, 1981). Распределение лесов на территории неравномерное. Типичны березово-сосновые леса с участием осины. По террасам Чулыма встречаются сосновые боры (Волкова, 1979).

Климат Канской лесостепи характеризуется большей континенталь-ностыо и сухостью по сравнению с климатом Красноярской и Ачинской лесостепей. Распределение осадков в течение года неравномерное, их среднегодовое количество достигает 436 мм. Преобладают ветры западные и юго-западные (Сергеев, 1971). Почвенный покров представлен черноземами обыкновенными и выщелоченными ,серыми лесными почвами. В Канской лесостепи произрастают древесные породы - береза, осина, лиственница, ель, пихта. В настоящее время в результате интенсивной хозяйственной деятельности, значительная часть лесов уничтожена. В отдельных районах лесистость достигает 25-30%.

В Красноярской лесостепи исследуемые насаждения, произрастают в зоне воздействия промышленных выбросов г. Красноярска. В составе выбросов твердые аэрозоли поступают с ТЭЦ-1 и 2, химического и алюминиевого комбинатов, цементного завода, песчаных и гравийных карьеров. Модуль техногенной пылевой нагрузки города на пригородные леса составляет 300- 900 кг /км2 в сутки (Мирошников и др., 1995).

В Назаровской впадине, сосновые насаждения загрязняются твердыми выбросами Назаровской ГРЭС (до 1000 т/км2 в год) и Березовской ГРЭС-1, отходами глиноземного комбината (г. Ачинск), который ежегодно выбрасывает в атмосферу до 166 тыс. т пыли, пылью с угольных карьеров, разрабатываемых открытым способом, объектов инфраструктуры.

На территории Канской лесостепи основной источник запыления -Бородинский угольный разрез, где ежегодно добывается до 30 млн. т угля открытым способом.

Максимальное загрязнение наблюдается в Назаровской котловине, среднее в Красноярской лесостепи и минимальное в Канской. Для всех районов характерно наличие температурных инверсий, штилей и туманов, приводящих к нарушению циркуляции воздушных масс и снижению рассеивающей способности атмосферы. В бесснежный период года характерно увеличеие концентраций эрозионной пыли.

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследований в природных условиях являлись сосновые и березовые насаждения, произрастающие на различном расстоянии от источников загрязнения атмосферы. Придорожные насаждения и лесные защитные полосы. При моделировании в аэродинамической установке 14-ти вариантов моделей лесных полос использовали подрост сосны и березы, высотой 40-60 см.

В Красноярской лесостепи исследования проводились в Есаульском, Березовском, Погорельском сосновых массивах в насаждениях разнотрав-

ной и зеленомошной группы типов леса, чистых по составу, II-V класса возраста, II, III классов бонитета. Средняя высота древостоя 14-23 м, полнота 0,6-1,3. Для Есаульского и Погорельского боров характерно наличие густого подлеска из ольхи и шиповника. Подрост в насаждениях неблагонадежен и встречается очень редко.

Сосняки Назаровской котловины - Дороховский, Пионерский, Ал-татский и Захаринский боры - насаждения разнотравной группы типов леса, с небольшой примесью березы и осины, III, V классов возраста.Высота древостоя 20, 25, 33 м, полнота 0,6-0,9. Подлесок из рябины , черемухи, спиреи, шиповника развит слабо. Подрост сосны встречается единично или небольшими группами.

В Канской лесостепи исследовались березняки разнотравной группы типов леса, чистые по составу, III-V классов возраста, II-IV классов бонитета. Средняя высота древостоя - 10- 14 м, полнота 0,7-0,9, Подлесок и подрост развит слабо. Придорожные насаждения представлены сосновыми, березовыми и осиновыми насаждениями,II-V классов возраста, высотой 12-22 м, и защитными лесополосами плотной непродуваемой конструкции из тополя, яблони, клена и акации.

Лесоводственные и биометрические характеристики насаждений изучались по общепринятым методикам (Анучин, 1982; Поздняков и др, 1969; Программа и методика биогеоценотических исследований, 1974; Протопопов, 1975). Постоянные пробные площади и временные площадки закладывались в направлении основного переноса пыли, и в насаждениях,произрастающих на условно чистом экологическом фоне. Изучение пы-леаккумулирующих свойств лесных экосистем проводилось в летний и зимний период года.Летом использовался седиментометрический метод Ж.Детри (1973). Зимой количество пыли определялось в период максимальных снегозапасов. Снежный покров изучался согласно общепринятым методикам (Наставление гидрометеорологическим станциям и постам, 1976). Образцы снега отбирали весовым снегомером (ВС-43) на всю глубину снежного покрова. Моделирование процесса взаимодействия иылене-сущего потока с моделями лесных полос проводилось в аэродинамической установке (Буренина, Скрипалыцикова, 1990). В качестве модельных деревьев использовали подрост сосны и березы, высотой 40-60 см. Было проведено 14 вариантов 1-2-3-4 - рядных полос, которые опыляли песком, цементом, угольной пылью, золой отходов ТЭЦ.

Отбор растительных образцов хвои,листьев древесного яруса , подроста и живого напочвенного покрова проводился с учетом методических рекомендаций, изложенных в работах Г. И. Гире (1990), В. В. Ковальского, Н. Д. Головатого (1969),

Д. П. Митрофанова (1977). Определение микроэлементов в растительных образцах проведено спектральным методом в центральной лаборатории ПГО "Красноярскгеология".

Всего за период исследований было заложено 22 пробные площади, отобрано 2880 проб снега, в летний период - 7380 проб пыли, 1068 растительных образцов.

Экспериментальный материал обрабатывался с использованием методов вариационной статистики (Павлов, Смольянов, 1984) и множественного регрессионного анализа (Львовский, 1988).

4. ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИЕ СВОЙСТВА НАСАЖДЕНИЙ

В главе приводятся количественные характеристики аккумуляции твердых аэрозолей сосновыми и березовыми фитоценозами Красноярско-Ачинской и Канской лесостепей, произрастающих в зонах с различной степенью пылевого загрязнения. На основе полученных количественных параметров анализируются пылеулавливающие свойства насаждений.

4.1. Сосновые насаждения в зеленой зоне г.Красноярска и техногенных ландшафтах Назаровской котловины

Сосновые насаждения, произрастающие вблизи г.Красноярска в зависимости от пылевой нагрузки аккумулируют различное количество пыли. В летний период насаждения Березовского и Есаульского сосновых массивов пологом задерживают от 0,060 до 7,4 т/га техногенной, дорожной и дефляционной пыли. Установлено, что седиментация пыли под пологом этих насаждений зависит от их биофизической конструкции, трансформирующей пыленесущий поток.

Наибольший эффект в задержании насаждениями различной пыли достигается в летний период после дождей влажной поверхностью фитоценоза до 95% (против 60-75% при радиационном типе погоды). Максимум перехвата приходится на древесный ярус.

В зимнее время года сосновые насаждения аккумулируют преимущественно пыль техногенного происхождения от 0,04 до 0,85 т/га. Количество седиментируемой пыли тесно связано с ветровым режимом и количеством твердых осадков. Коэффициент корреляции (г) между массой пыли, аккумулированной в зимний период Березовским сосновым массивом и повторяемостью ветров ЮЗ-направлений равен 0,69 ± 0,26. Корреляция пыли с количеством твердых осадков, выпавших за зимний период отрицательная (г=-0,54 ± 0,28).

Установлено, что аккумуляция техногенной пыли сосняками разнотравными, произрастающими в зоне влияния Назаровской ГРЭС (Дороховский, Пионерский, Алтатский и Захаринский боры) уменьшается с удалением их от ГРЭС. В летний период выбросы Назаровской ГРЭС в основном сконцентрированы в силу преобладания основных восточных и западных ветров в двух секторах. При восточных ветрах загрязнен Дороховский сосновый массив,при западных -Пионерский. Максимальное количество техногенного вещества по факелу выбросов скапливается на рас-

стоянии 1-5 км в указанных массивах. По мере удаления это количество снижается в десятки раз. На контроле пыли выпадает в 30 раз меньше. Определено, что аккумуляция пыли пологом в летний период в среднем составляет 0,83 т/га в Дороховском массиве и 0,91 т/га в Пионерском. В зимний период в снежном покрове осаждается от 0,04 до 0,86 т/га пыли. Полог задерживает от 0,09 до 0,80 т/га (табл.1).

Таблица 1

Аккумуляция техногенной пыли сосновыми насаждениями Назаровской котловины за зимний период, т/га

Аккумуляция пыли Год исследований Среднее

19801981 19811982 19821983 19831984 19841985 19851986 19861987 19871988 19881989

Дороховский бор, (1 км)

Окрыгый участок 3,80 2,50 1,20 0,50 1,70 1,60 1,50 М2 1,10 1,66 ±0,32

Под пологом 3,00 0,50 0,70 0,30 1,10 0,30 0,80 0,60 0,50 0,86 ± 0,27

Пологом 0,80 2,00 0,50 0,20 0,60 1,30 0,70 0,52 0,62 0,80 + 0,17

1).

Пионерский бор, (5 км)

Окрытый участок - 1,04 1,10 1,30 1,10 1,20 1,40 1,16 0,78 1,13 + 0,09

Под пологом - 0,58 0,92 1,07 0,80 0,33 0,60 0,50 0,25 0,63 ± 0,09

Пологом - 0,46 0,18 0,23 0,30 0,87 0,80 0,66 0,53 0,50 ± 0,09

Алтатский бор, (20 км)

Окрытый участок 0,20 0,36 - - 0,28 0,20 0,21 0,15 0,10 0,20 + 0,05

Под пологом 0,04 0,13 - - 0,08 0,04 0,09 0,06 0,04 0,06 ±0,01

Пологом 0,16 0,23 - - 0,20 0,06 0,20 0,09 0,06 0,14 ±0,02

Захаринский 6oi э, (контроль, 30 км)

Окрытый участок 0,20 0,23 0,16 - 0,19 0,06 0,16 0,04 0,03 0,13 ±0,02

Под пологом 0,03 0,09 0,08 - 0,06 0,02 0,03 0,03 0,02 0,04 + 0,01

Пологом 0,17 0,14 0,08 - 0,13 0,04 0,13 0,01 0,01 0,09 ± 0,02

1). - Расстояние от Назаровской ГРЭС.

Оценка экспериментальных данных методом множественного регрессионного анализа показала, что на процесс проникновения техногенной пыли под полог сосновых насаждений Красноярско-Ачинской лесостепи влияют ветровой режим и расстояние до источника загрязнения.

Рассчитанная по Dochinger (1980) эффективность очистки воздуха сосновыми экосистемами Красноярско-Ачинской лесостепи составила в зимний период - 39-80%, в летний -30-73% (рис.1).

К,% 100

80

60

40

20

1 К

п ¿А

щ *1 • ! (. V"

1 1 V. ■■'•Л и*.

кл ■ <л

1 2 3 4 5 6

Рис. 1 Коэффициент очищающей эффективности сосновых экосистем (1, 2, 3,4 - сосняки Назаровской котловины, 5, 6 - Красноярской лесостепи) ШШ - летний период, - зимний период

Таким образом, несмотря на длительность техногенной нагрузки сосновые насаждения Красноярско-Ачинской лесостепи, произрастающие в зонах с различной степенью пылевой нагрузки при их современном лесо-водственном состоянии обладают высокими пылеулавливающими свойствами.

4. 2. Березовые насаждения в зоне угольных карьеров открытой добычи

^ Аккумулирующая способность березовых насаждений исследовалась в районе Бородинского угольного карьера. Объектами изучения являлись березняки, произрастающие в зонах максимального (0,5 км), умеренного (5 км) и минимального (10 км) загрязнения карьера.

Установлено, что независимо от концентрации угольной пыли в воздухе, наибольшее количество ее перехватывают деревья с большим запасом фитомассы крон. Так,с увеличением фитомассы модельных деревьев от 0,9 до 43,2 кг количество перехваченной угольной пыли увеличивается от 17 до 1249 г. Установленная закономерность прослеживается по градиенту загрязнения по всем пробным площадям. В зоне максимального загрязнения

на поверхности 1 м2 кроны березовых древостоев аккумулируется до 480 г угольной пыли. По мере удаления от источника загрязнения эта величина уменьшается в 6 раз. На контроле накапливается пыли не более 20 г/м2.

Известно, что лист на различных стадиях развития представляет собой исключительно хороший индикатор для оценки различных процессов (Гудериан,1979). При исследованиях аккумуляции пыли листовой пластинкой березы повислой, проведенных в подсезоны весенней и летней вегетации (Буторина,Крутовская,1972), установлена четкая зависимость процесса аккумуляции с ростом листовой поверхности, особенно в насаждении максимально загрязненным угольной пылью. В конце вегетации, в период максимального накопления биомассы полностью развитой листвы березы, аккумуляция пыли возрастает вдвое (рис.2). Выявлена тесная корреляционная связь между площадью листовой поверхности и мас-

пспоупоприипп пчлм (г гут О 7 4- Л 10 ТТГ» О ОЙ -1- П

^ии АХ шьии пиит Ох и, / , л ^ - .

Рис. 2 Аккумуляция пыли листовой поверхностью березы повислой в подсезоны весенней и летней вегитации. Р - масса пыли, г/м2, зоны: максимального -1, умеренного - 2, минимального загрязнения - 3, контроль - 4

Изучение градиентного распределения пыли по кроне показало, что наибольшее количество ее адсорбируется нижней частью кроны, верхняя и средняя аккумулируют примерно одинаковое количество.

В березняке ирисово-осочково разнотравном (0,5 км от карьера) более 50% угольной пыли осаждается на 15 метровой полосе леса. В целом березовое насаждение шириной 40 м снижает уровень запыленности по сравнению с открытым участком в 6 раз.

В процессе аккумуляции пыли в насаждениях участвуют не только основной его компонент- древостой, осуществляющий максимальный перехват,но и подрост .подлесок, живой напочвенный покров. Установлено, что подрост березы аккумулирует от 0,03 до 0,99т/га, а напочвенный покров от 0,08 до 0,42 т/га пыли. Уменьшение сомкнутости древостоя увеличивает проникновение пыли на компоненты нижнего яруса. Неравномерность строения полога в значительной степени обуславливает горизонтальную изменчивость при перехвате пылевых осадков.

Оценка данных методом множественного регрессионного анализа показала, что на аккумуляцию угольной пыли березняками значительно влияет режим осадков.

Для березняков коэффициент очищающей эффективности (К) изменяется в пределах от 36 до 61%.По сравнению с сосновыми насаждениями Красноярско-Ачинской лесостепи очищающая способность березняков ниже.

4. 3. Перехват пыли придорожными насаждениями

Исследования перехвата пыли придорожными насаждениями показали, что этот процесс зависит от типа дороги (твердое покрытие, гравийные, грунтовые), породного состава, возраста, сомкнутости, дислокации насаждений относительно основного переноса ветра. Максимальный эффект перехвата дорожной пыли в летний период наблюдался в сосновом молодняке II класса возраста, сомкнутостью 0,6 - до 0,3 т/га и двухрядной лесополосе из сосны и акации I класса возраста, сомкнутостью 0,9 - до 8,15 т/га. Обследованные насаждения из березы, осины, трех четырехрядные лесополосы из тополя, яблони, клена и акации оказались менее эффективными.

5. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ХВОЕ СОСНЫ И ЛИСТЬЯХ БЕРЕЗЫ В НАСАЖДЕНИЯХ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ г. КРАСНОЯРСКА

Рассматриваются количественные показатели аккумуляции хвоей сосны и листьями березы древостоев,подроста и живым напочвенным покровом микроэлементов (РЬ, Си, Со, Сг, Мп, 5г, N1, И), входящих в состав пылевых выбросов г.Красноярска.

Поверхностное загрязнение хвои и листьев в Березовском и Есаульском сосновых массивах по сумме микроэлементов превосходит содержание в насаждении,произрастающем на условно чистом экологическом фоне (Погорельский бор), в 8 раз. Отложения наиболее опасного токсичного загрязнителя -фтора на поверхности хвои превышают контроль в 2-16

раз. В растениях напочвенного покрова накапливается микроэлементов в 10-100 раз больше, чем в контроле.

Потенциально возможная аккумуляция микроэлементов поверхностью хвои за вегетационный период составила 80 - 366 г/га в загрязненных массивах и 35 г/га на контроле.

Из рассмотренных компонентов фитоценоза максимальные величины свинца, цинка и фтора отмечены в хвое подроста в подветренных, разреженных частях загрязненных насаждений.

Известно, что накопление токсичных загрязнителей как внутри, так и на поверхности хвои и листьев может привести к нарушениям их физиологических функций (Фрей, 1984; Рожков, Михайлова, 1989; Алексеев, Лянгузова, 1990; Гире, Зубарева, 1992 и др.), вызвать замедление роста и снижение продуктивности самих древостоев (Рожков, Козак, 1989; Алексеев, 1990 и др.). Поэтому установленные поверхностные накопления микроэлементов, большая часть которых является токсичными для растительности, в десятки раз превышающие контрольные значения, можно рассматривать как один из факторов, повреждающих сосновые древостой,произрастающие в зоне влияния г.Красноярска. При постоянном кумулятивном действии промышленных выбросов города на эти сосновые насаждения, в целом, вероятно следует ожидать снижение их пылеакку-мулирующих способностей, потери ими устойчивости.

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АККУМУЛЯЦИИ ПЫЛИ ДРЕВЕСНЫМИ РАСТЕНИЯМИ

Осаждение пыли, связанное с перестройкой воздушного потока, зависит от биометрических показателей.В процессе моделирования в контролируемых условиях режима скоростей и концентраций пыли установлено, что с увеличением листового индекса или объемной массы насаждения повышается количество пыли,осаждающейся на почву перед полосой и под ее пологом. Тенденция прослеживается для всех используемых в модельных опытах твердых распылителей в сосновых и березовых полосах . Связь между листовым индексом насаждений и массой задержанной ими пыли носит линейный характер.

Исследованиями установлено, что аккумуляция пыли моделями лесных полос зависит от концентрации распыляемой примеси. Например, с увеличением концентрации песка в аэродинамической установке с 0,99 до 4,34 г/м3 аккумуляция в среднем увеличивается в 13 раз. Модель четырехрядной лесополосы более эффективна ,чем двухрядной. На поверхности хвои пыли осаждается больше, чем на листьях березы. Прослеживается зависимость осаждения пыли от скорости воздушного потока. С увеличением скорости с 5,1 до 13,8 м/с осаждение песка увеличивается в 4-9 раз и угольной пыли в 5-10 раз. Из всех примесей, для всех вариантов больше осаждается цементной пыли как на хвое , так и на листьях березы (Буренина, Скрипалыцикова, 1990).

При рассеивании пыли в безветренных условиях над модельными деревьями установлены экстремальные величины аккумуляции пыли, которую способны на себе выдержать хвоя и листья моделей. Хвоя сосны способна задерживать 30 г/м2 песка, 180 г/м2 цемента и 32 г/м2 золы. Листья березы в меньшей степени задерживают распыляемые примеси.

В условиях эксперимента модельные лесные полосы после запыления подвергались обдуванию. Результаты этого эксперимента показали, что в сосновых полосах при скорости 13,8 м/с сдувается до 97% пыли; при скорости 5,1 м/с 90-95%. С листьев березы при этих скоростях ветра сдувается 88-99%. При дождевании модельных лесных полос эффективность задержания пыли возрастает в 5-10 раз.

Таким образом, моделирование процесса взаимодействия пыленесу-щего потока с лесными полосами, различными по породному составу и биофизическим конструкциям , позволило более полно раскрыть явление аккумуляции пыли насаждениями. При одинаковом расстоянии до источника загрязнения установлены зависимости между количеством аккумулируемой пыли модельными лесными полосами и биометрическими характеристиками насаждения -объемной массой, листовым индексом, а также площадью листовой поверхности насаждений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные многолетние экспериментальные исследования пылеулавливающих свойств лесных экосистем, произрастающих в лесостепных районах Средней Сибири в зонах с техногенными нагрузками, привели к следующим основным выводам и рекомендациям.

В год сосновые насаждения разнотравной и зеленомошной группы типов леса (И-У классов возраста, П-Ш классов бонитета) Красноярской лесостепи адсорбируют на своей поверхности от 0,9 до 7,4 т/га техногенной, эрозионной и дорожной пыли. Сосняки разнотравные (V класса возраста, I-III классов бонитета) Ачинской лесостепи задерживают от 0,1 до 1,6 т/га пыли.

Очищающая способность сосняков Красноярско-Ачинской лесостепи, произрастающих в зонах длительного воздействия техногенных аэрозолей, составляет в зимний период от 39 до 80%, в летний от 30 до 73%. Сосняки, произрастающие в зоне влияния Назаровской ГРЭС, способны выводить из атмосферы до 66% пыли от количества, поступающего в геосистемы региона с выбросами ГРЭС.Сосняки, продуцирующие в зоне влияния г.Красноярска, способны адсорбировать на своей поверхности до 56% пылевых частиц, поступающих с выбросами города.

Аккумуляция пыли как под пологом насаждения , так и его фитомас-сой тесно связана с ветровым режимом , количеством осадков, концентрацией пыли в воздухе и ее составом (техногенная пыль, дорожная, дефляционная).

Построена математическая модель седиментации техногенной пыли под пологом древостоев в зимний период, позволяющая в первом приближении оценивать накопление в снеге твердых аэрозолей, в зависимости от расстояния до источника загрязнения, высоты снежного покрова, количества твердых осадков, числа стволов древостоя, ветрового режима.

Наибольший эффект в задержании сосновыми насаждениями различной пыхш достигается в летний период влажной поверхностью фитоценоза (до 95%). Максимум аккумуляции приходится на древесный ярус.

Березовые насаждения разнотравной группы типов леса (II-VI классов возраста, 1НУ классов бонитета) Канской лесостепи, произрастающие на расстоянии 0,5-35 км от функционирующего Бородинского угольного разреза за летний период фитомассой древостоя, подроста, живого напочвенного покрова задерживают от 0,3 до 27,0 т/га угольной пыли.Максимум перехвата, поступающей с карьера угольной пыли, приходится на верхний ярус - древостой. Нижний ярус насаждения: подрост перехватывает от 0,5 до 2,3%, растения напочвенного покрова от 1,0 до 3,6 % пыли от количества на открытом месте.

Очищающая эффективность березняков характеризуется коэффициентом очищения в пределах 36-61%.Пылеаккумулирующий эффект березовых насаждений в зоне влияния Бородинского угольного разреза зависит от концентрации фитомассы крон, их сомкнутости, площади листовой поверхности, от расстояния до карьера, количества выпадающих осадков, преобладающего переноса воздушных масс.

Оценка данных методом множественного регрессионного анализа показала, что процесс аккумуляции пыли березняками значительно зависит от ветрового режима и количества осадков региона исследований.

Б зоне максимального загрязнения угольной пылью площадь листовой пластинки березы повислой составляет 16,35 см2, это в 1,4 раза меньше, чем в контроле. Различия могут быть обусловлены влиянием повышенного загрязнения угольной пылыо, которое сдерживает рост и формирование листовой пластинки березовых насаждений.

Механизм седиментации пыли под пологом насаждений зависит от их биофизических конструкций,которые определяются совокупностью взаимодействия биологических (порода и возраст), лесоводственных и биометрических характеристик.Учитывая сложность процесса седиментации и зависимость его в каждом конкретном случае от концентрации пыли, для выявления роли природных биофизических конструкций в процессе перехвата пыли была применена их оценка в баллах. Установленная шкала (сумма баллов) отражает сложность биофизических конструкций, а сравнение с коэффициентом перехвата пыли дает представление о способности насаждений аккумулировать пыль.

Установлено, что максимально эффективно осаждают и аккумулируют пыль чистые или с небольшой примесью насаждения Березовского, Есаульского и Алтатского боров Н-У классов возраста, с полнотами 0,81,3, фитомасса крон которых составляет 21,4-27,0 т/га, хвои 4,8-8,9 т/га,

листовой индскс 2,3-4,2 га/га. Оценка биофизических конструкций таких насаждений составляет 389-643 балла. Перехват пыли - 48-71%. Менее эффективны насаждения с меньшими полнотами - Дороховский, Пионерский, Захаринский боры. Под пологом этих насаждений седиментируется от 50 до 80% от количества на открытом месте. Коэффициент перехвата составляет 48-58%.

Балльная оценка биофизических конструкций березняков подтвердила их меньшую эффективность задержания пыли по сравнению с сосновыми насаждениями и составила 283-377 баллов. В целом коэффициент перехвата пыли как сосновыми, так и березовыми насаждениями зависит от сложности их природных биофизических конструкций.

Аккумуляция пыли в придорожных насаждениях зависит от типа дороги, породного состава, возраста, сомкнутости, дислокации насаждений относительно основного переноса ветра. Эффективно задерживают дорожную пыль сосновые молодняки II класса возраста и искусственно созданные двухрядные лесополосы из сосны и акации I класса возраста.

Абсолютные показатели суммарной поверхностной аккумуляции микроэлементов хвоей сосновых и листьями березовых насаждений в зоне влияния г.Красноярска соответственно выше в 3-4,6-9 раз, чем в насаждении, произрастающем на условно чистом экологическом фоне. В течение вегетационного периода насаждение потенциально может задержать от 80 до 366 г/га микроэлементов (в том числе и токсичных). Повышенные концентрации отдельных элементов в хвое и листьях, адсорбция их на поверхности в сочетании с действием других загрязнителей приводит к нарушению физиологических процессов, повреждению древостоев и в дальнейшем снижению их пылеаккумулирующих способностей.

В целом, исследованиями проведенными в природных условиях, установлено, что процесс аккумуляции насаждениями пыли обуславливается рядом комплексно действующих факторов:биофизическими конструкциями насаждений, особенностями ветрового режима районов исследований и степенью пылевого загрязнения, количеством осадков.

При физическом моделировании в аэродинамической установке в контролируемых условиях режима скоростей ветра и концентраций различных пылевых примесей на моделях полос из сосны и березы с различными биометрическими характеристиками установлено:

Эффективность моделей лесных полос в аккумуляции пылевидных частиц различного происхождения (песок, цемент, угольная пыль, зола) при одинаковом расстоянии до источника загрязнения , повышается с увеличением скорости воздушного потока, объемной массы насаждений и их листового индекса, с увлажнением поверхности моделей лесных по-лос.Полученные в результате моделирования количественные характеристики показали, что сосновые насаждения эффективнее березовых. Максимально задерживает пыль модель четырехрядной сосновой лесополосы. Экстремальные величины аккумуляции пыли, которую способны задер-

живать кроны модельных деревьев составляют: для песка 33 г/м2, цемента 180 г/м2, золы 30 г/м2.

Полученные выводы позволяют предложить следующие мероприятия, направленные как на повышение устойчивости исследуемых насаждений, так и на поддержание ими оптимальных условий окружающей среды в техногенных зонах.

На наветренных опушках сосновых и березовых насаждений предлагается формировать по границам насаждений новые опушки из четырехрядных сосновых полос с сомкнутостью не ниже 0,7. Опираясь на литературные данные (Протопопова, 1972; Кулагин, 1990), новые опушки можно формировать из быстрорастущих толерантных пород - тополя бальзамического, березы повислой, лиственницы сибирской, ивы белой.

Для Березовского соснового массива, произрастающего в 10 км от г.Красноярска, необходимо проведение рубок ухода и мер содействия естественному возобновлению,согласно"Наставлениям по рубкам ухода в лесах восточной Сибири (1994)"для рекреационных лесов. На наветренных опушках предлагается создавать защитные полосы из пород, устойчивых к выбросам фтора:тополь лавролистный, кизильник черноплодный, жимолость татарская, дерен белый.

В зоне максимальной нагрузки с открытых угольных транспортеров ГРЭС в радиусе 5-20 км в' направлении господствующего переноса воздушных масс рекомендуется создание сети защитных полос плотной непроду-ваемой конструкции из пяти рядовгакация, сосна, тополь, сосна,тополь.

В придорожных разреженных насаждениях без подлеска можно предложить создавать искусственные опушки из сосны и акации или, по мнению Ю.З.Кулагина (1990), ивы белой, использование которой ограничит распространение ряда металлов в растения живого напочвенного покрова и повысит санирующий эффект насаждения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Скрипалыцикова Л. Н. Пылеулавливающая способность сосняков в пригородной зоне г. Красноярска. И Средообразующая роль лесных экосистем Сибири. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1982.-С. 124-130.

2. Буренина Т. А, Скрипалыцикова Л. Н. Трансформация воздушного потока лесными полосами. //Исследования компонентов лесных биогеоценозов. Красноярск: ИЛ и Д СО АН СССР, 1983. -С. 10-11.

3. Скрипалыцикова Л. Н. Пылеулавливающие свойства придорожных насаждений в Назаровской котловине. //Вклад молодых биологов Сибири в решение продовольственной программы и охраны окружающей среды. Тез. докл. регион, конф. Улан-Удэ, 1984. -С. 42.

4. Скрипалыцикова Л. Н. Пылеулавливающие свойства лесных экосистем зоны КАТЭКа. //Средоулучшающая роль леса (экологические проблемы). Тез. докл. Всесоюзн. конф. Новосибирск, 1984. -С. 154.

5. Скрипалыцикова Л. Н. Аккумуляция техногенной пыли сосняками Красноярско-Ачннской лесостепи. //Трансформация лесными экосистемами факторов окружающей среды. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1984. С. 53-61.

6. Спицына Н. Т. ,Скрипалыцикова Л. Н. Биологическая продуктивность и иылеаккумулирующие свойства березовых насаждений Канской лесостепи. //Исследования компонентов лесных экосистем. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1988. - С. 21-22.

7. Спицына Н. Т., Скрипалыцикова Л. Н. Роль фитомассы березовых насаждений восточной зоны КАТЭКа в аккумуляции угольной пыли. //Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири. Тез. докл. Всесоюзн. сов. Красноярск, 1989. -С. 94.

8. Буренина Т. А., Скрипалыцикова Л. Н. Ветрозащитные и пылеак-кумулирующие свойства модельных лесных полос. //Современное состояние биоценозов КАТЭКа. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1990. -С. 161-168.

9. Скрипалыцикова Л. Н. Пылеаккумулирующие свойства лесных экосистем в антропогенных ландшафтах Сибири. //Растения и промышленная Среда. Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. Днепропетровск, 1990. -С. 48.

10. Скрипалыцикова Л. Н. Адсорбция лесными экосистемами антропогенной пыли в лесостепных районах Сибири. //Экологические проблемы охраны живой природы. Тез. докл. Всесоюзн. науч. конф. Москва, 1990, т. 2. -С. 49.

11. Скрипалыцикова Л. Н. Количественная оценка пылеулавливающих свойств насаждений зоны КАТЭКа (рекомендации и прогноз). Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1990. -С. 8-10 (коллектив авторов).

12. Спицина Н. Т., Скрипалыцикова Л. Н. Фитомасса и пылеаккумулирующие свойства березовых лесов в условиях открытых горных разработок. //Экология,-1991, -N6. -С. 17-22.

13. Скрипалыцикова Л. Н. Роль лесных экосистем в оздоровлении индустриальной среды. //Проблемы использования Канско-Ачинских углей в энергетике. Тез. докл. Всесоюзн. науч. конф. -Красноярск, 1991. -С. 104.

14. Скрипалыцикова Л. Н. Пылеаккумулирующая способность сосновых и березовых фитоценозов лесостепных районов Сибири. //География и природные ресурсы. -1992. -N1. -С. 39-44.

15. Скрипалыцикова Л. Н. Взаимосвязь аккумуляции пыли деревьями березы с фитомассой крон. //'Лесная таксация и лесоустройство. Сб. тр. Красноярск: СТИ, 1992. -С. 129-134.

16. Скрипалыцикова Л. Н. Роль лесной растительности в экологической оптимизации техногенных сред. //Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов. Тез. докл. Всерос. науч. техн. конф. Москва, 1994. С. 21-23.

17. Скрипалыцикова Л. Н. Оценка пылеаккумулирующих функций лесных экосистем Средней Сибири. //Экосистемы Азии и их защита. Тез. докл. Международной конф. Монголия, Улан-Батор, 1995. -С. 128.

18.Скрипалыцикова Л. Н. Микроэлементы в древесных растениях в зонах техногенных выбросов теплоэлектростанций. //Проблемы изучения растительного покрова Сибири. Тез. докл. регион, конф. Томск, 1995. -С. 219.