Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Трансформация сосновых лесов Верхнего Приангарья, загрязняемых фторсодержащими эмиссиями

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Трансформация сосновых лесов Верхнего Приангарья, загрязняемых фторсодержащими эмиссиями"

На правах рукописи

БЕРЕЖНАЯ Надежда Станиславовна

Трансформация сосновых лесов Верхнего Прнангарья, загрязняемых фторсодержащими эмиссиями

03.00.16 - Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

^ооь-к

На правах

БЕРЕЖНАЯ Надежда Станиславовна

Трансформация сосновых лесов Верхнего Прнангарья, загрязняемых фторсодержащимн эмиссиями

03.00.16-Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

¿■//¿но

Работа выполнена в Сибирском институте филологии и биохимии растений Сибирского отделения РАН, г. Иркутск

Научный руководитель:

доктор биологических наук i .А. МИХАЙЛОВА

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор О.П. РОДЧЕНКО

доктор биологических наук, профессор В.Н. МОЛОЖНИКОВ

Ведущая организация:

Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, г. Улан-Удэ

Защита состоится « 28 » октября 2005г. в 13°° час, на заседании диссертационного совета Д 212.074.07 в Иркутском i осударственном университете но адресу: 664003, г.Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 5, Байкальский музей им. проф М.М. Кожова(ауд. 219)

Почтовый адрес: 664003, г.Иркутск, ул. Сух>Батора, 5. биолого-почвенный факультет ИГУ. Факс (3952) 241855, e-mail: dekanafaibio.isu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета

Автореферат разослан « 3Aj> сентября 2005 г. Ученый секретарь диссертационного совета

* -г

' / I'.C. Купчинская

ВВЕДЕНИЕ

Аштальность проблемы. В последние десятилетия атмосферное загрязнение, наряду с воздействием насекомых-вредителей, пожарами и рубками, считается одним из приоритетных негативных факторов, вызывающих изменения в состоянии лесов бореальной зоны (Исаев и др., 1997; Ваганов, Плешиков, 1998; Van Leeuwen et al., 2002). Охватывая значительные территории и негативно влияя на леса, оно приводит к нарушению их средообразующих и средозащитных функций (Харук, 1998; Васильева и др., 2000). К числу таких проблемных регионов бореальной зоны относится и Верхнее Приангарье (Михайлова, 2003). Этот регион характеризуется активным развитием промышленности, в том числе алюминиевой, аэропромвыбросы которой отличаются большим содержанием токсичных для растений соединений фтора. В связи с этим, актуальна оценка роли этого негативного фактора в изменении состояния лесных экосистем, осуществляемая по комплексу параметров, характеризующих степень угнетения древостоев и корреляционно связанных с уровнем загрязнения.

Цель работы: исследовать пространственно-временную динамику эколо-го-физиологического состояния древостоев сосны обыкновенной при длительном воздействии фторсодержащих выбросов и дать прогноз развития ситуации в лесах.

Задачи исследований:

- изучить пространственные, многолетние и сезонные изменения накопления в хвое сосны элементов-токсикантов и ряда мементов-биофилов;

- на основе комплекса визуальных и морфофизиоло! ических показателей дать оценку жизненного состояния древостоев разной степени ослабления;

- провести динамическое картографирование лесопокрытой территории, загрязняемой фторсодержащими аэропромвыбросами, результаты отразить на картах-схемах (М I : 500 000);

- дать прогноз состояния лесов по нескольким возможным сценариям изменения объема фторсодержаших аэропромвыбросов.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. На обследованной территории фториды являются приоритетными пол-лютантами, определяющими физиологическое состояние древостоев.

2. Ответная реакция древостоев на изменение интенсивности техногенной

нагрузки характеризуется высокой степенью инерционное!и.

3. Пространственно-временная динамика состояния древостоев, подвергающихся воздействию промышленных выбросов, адекватно отражается методами эколого-фи го токсиколог ическою картографирования.

Научная новизна работы. Показано, что при воздействии многокомпонентных эмиссий алюминиевых заводов доминирующая роль принадлежит фIорсодержащим соединениям как основному негативному фактору, определяющему физиологическое состояние древостоев. Установлена тесная зависимость между изменением комплекса морфофизиологических параметров деревьев и накоплением в хвое приоритетных токсикантов - фторидов. Выявлены репрезентативные показатели, наиболее адекватно отражающие состояние древостоев при воздействии фторсодержащих эмиссий. Изучены закономерности « пространственной, мнотолетней и сезонной динамики морфоструктурных параметров и элементного состава хвои древостоев разной степени угнетения. Выявлены особенности трансформации древостоев, зависящие от изменения уровня эмиссионной нагрузки, они заключаются в наличии выраженной инерционности состояния насаждений как при возрастании объема эмиссий, так и при его уменьшении. Разработан алгоритм обобщения данных для прогнозирования состояния ослабленных древостоев при разных сценариях изменения эмиссионной нагрузки. Показано, что пространственно-временная динамика состояния лесов адекватно моделируется методами динамического картографирования.

Практическая значимость работы. Полученные материалы о многолетней динамике состояния сосновых древостоев могут служить для обоснования допустимого уровня фторсодержащих эмиссий алюминиевых заводов и других предприятий, выбрасывающих фториды. Разработанные карты-схемы ослабления лесов могут использоваться административными органами как информационный базис при принятии решений по оптимизации лесохозяйственной деятельности на загрязняемых территориях, планировании мероприятий по предупреждению и устранению негативных процессов в лесных экосистемах. Результаты исследования включены в итоговые отчеты по хоздоговорным работам о состоянии лесов зеленой зоны города Шелехова и использовались Шелеховской городской администрацией при подготовке документации к Федеральной про-

фамме no улучшению состояния окружающей среды (.Шелехова Иркутской области (Постановление Правительства РФ от 22.04.97 № 456). Материалы исследований неоднократно публиковались в докладах Государственного Комитета по охране природы о состоянии окружающей среды в Иркутской области (Государственный..., 1992-2002). Данные использовались также для прогнозирования состояния лесов в районе проектируемого алюминиевого завода в г.Тайшете Иркутской области.

Апробация работы. Результаты исследований представлялись на 15 международных и 11 Всероссийских конференциях, а также на ряде региональных совещаний, в том числе «Экология и охрана окружающей среды» (Пермь, 1995), 6-м Международном симпозиуме «Acid rain-2000» (Tsucuba, 2000), «Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality» (Иркутск, 2001), «Экология и рациональное природопользование на рубеже веков. Итоги и перспективы» (Томск, 2000), «Средообразующая роль бореальных лесов: локальный, региональный и глобальный уровни» (Красноярск, 2002), «Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар, 2003), III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклеиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (Красноярск, 2004), «Plant Responses to Air Pollution and Global Changes» (Tsu-kuba, 2004).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы, включающего 351 наименования, из них 90 на иностранных языках. Работа изложена на 258 страницах, из них 145 страниц текста, содержит 15 таблиц, 73 рисунка.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю дб.н ТА Михайловой, а также всем своим соавторам, дбн А С Плешанову за ценные советы по работе. С Ю (ошакову за помощь в освоении ряда кочпькиерных npoipaviM. к б н. А Я. Никитину за помощь по аатистической обработке данных, к б н Л В Дударевой и О А Нройдаковой ja содействие в выполнении аналитических работ

ГЛАВА 1. Оценка нарушенное™ лесов промышленными эмиссиями (состояние вопроса)

В главе рассматриваются отечественные и зарубежные литературные источники, касающиеся многообразия критериев и методических подходов к оценке состояния лесов, испытывающих воздействие атмосферных промышленных выбросов. Анализ литературы свидетельствует, что из большого числа показателей, характеризующих состояние лесных экосистем при воздействии техногенных эмиссий, наиболее адекватными служат параметры, отражающие состояние древесного яруса. В главе приводится также подробное описание повреждающего воздействия фторсодержащих эмиссий на растительные организмы, древостой и лесную экосистему.

ГЛАВА 2. Характеристика района работ, объекты и методы исследований

Исследования проводились на территории Верхнего Приангарья (Иркутская обл.), более 40 лет подвергающейся воздействию эмиссий Шелеховского промышленного узла, в котором основным предприятием-загрязнителем является Иркутский алюминиевый завод (ИркАЗ) В составе аэровыбросов промузла присутствуют высокотоксичные фторсодержащие соединения, диоксид серы, окислы азота и углерода, аэрозоли тяжелых металлов, кремния и алюминия, полиароматические полициклические углеводороды. Максимальный объем эмиссий - свыше 100 тыс. т - наблюдался в первой половине 1980-х гг., в современный период он снизился до 30 тыс. т, тем не менее в окрестностях Шелеховского промузла сохраняются высокие концентрации поллютантов в воздухе, вследствие чего г. Шелехов входит в список самых загрязненных юродов страны (Государственный..., 2004). Территория, прилегающая к промузлу, имеет вид котловины, характеризуется частой повторяемостью штилей (40-67 % в году), мощными приземными инверсиями (60-90 % дней в год) и дней со слабыми ветрами (70-90% всех случаев с ветреной погодой). Перечисленные факторы обусловливают низкую очищающую способность атмосферы от вредных примесей, способствуют развитию застойных процессов в приземных слоях воздуха и повышению уровня их загрязнения (Климат..., 1981; Линевич, 1998).

Объектом исследования служили древостой основной лесообраз>ющей породы региона - сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), отличающейся вы-

сокой чувствительностью к воздействию атмосферного загрязнения. На территории наиболее распространены подтаежные разнотравные, бруснично-разнотравные, брусничные, рододендроновые сосновые леса. Древостой характеризуются III-IV классами бонитета, низкой и средней (0,4-0,7) полнотой, запасы древесины в среднем составляют около 180 м3/га. Насаждения относятся к первой и второй группам Лесного фонда (Леса..., 1997).

Натурные исследования выполнялись с использованием принятых методик (Инструкция ..., 1983; Методика ..., 1989; Manual ..., 1994). Было заложено 26 постоянных пробных площадей (ПГ1), на четырех из которых режимные наблюдения проводились один раз в год, на остальных - один раз в 3 года. На каждой ПП оценивался уровень дефолиации и дехромации крон деревьев сосны, продолжительность жизни хвои, длина побегов второго года жизни, размеры и масса хвои этих же побегов. В хвое, отобранной с 5-6 деревьев II класса возраста по Крафту. определялось содержание фтора (Руководство..., 1979), серы (Мочалова, 1975), кальция, магния, железа, меди, цинка, Mapiatma, алюминия, кадмия, свинца (Прайс, 1976; Пройдакова и др., 1986), ртути (Звонарсв и др., 1979; Таусон и др., 1989); калия и натрия (Ринькис, Ноллендорф, 1982); кремния (Меюды...,1987), общею, белкового и небелкового азота, фосфора и его кисло-торастворимых фракций (Плешков, 1976). За период исследований (с 1991 по 2001 гг.) проведено более 33 тыс. химических определений, около 6,5 тыс. мор-фометрических измерений. Обработка полученных результатов проводилась стандартными методами статистического анализа, использовали также корреляционный, рефессионный и кластерный анализы данных в редакторах EXEL-97 и STATISTICA-5 PC. Картографические nocí роения выполнены в среде ГИС Arc-V¡ew3.2a.

ГЛАВА 3. Накопление элементов-токсикантов в хвое сосны при воздействии эмиссий Шелеховского промышленного узла

При исследовании пространственной динамики фторсодержащих выбросов выявлено, что на всей территории Верхне! о Приангарья фториды являются одними из широко распространенных фитотоксикантов. Их содержание в хвое сосны вблизи крупных промышленных центров увеличивае1ся в 2-3 раза по сравнению с фоновыми уровнями, самое высокое накопление фтора в хвое со-

сны, до 20 раз превышающее фоновое, обнаруживается вблизи Шелеховского промузла. На этой территории пространственные границы разного накопления фторидов в хвое сосны в значительной степени определяются особенностями преобладающего переноса эмиссий и рельефа местности. Наибольшие концен-+рации фтора в хвое регистрируются в северо-западном, северном и юго-восточном направлениях от Шелеховского промузла на расстоянии до 10 км от него (рис. 1). Вблизи промузла в хпос сосны многократно (до 10 раз) увеличивается также содержание и других элементов - серы, свинца, ртути, железа, меди, кадмия, алюминия, кремния. Следует отметить, что на севере и северо-западе территории загрязнение древостоев может усиливаться за счет эмиссий, поступающих от соседних индустриальных центров Верхнею Приангарья - п. Ангарска и Иркутска.

Рис. 1. Содержание фтора в хвое сосны на территории, прилегающей к Шелеховскому нро-музлу а) в начале 1990-х гг., б) в современный период.

1 - изолинии концентраций фтора в хвое сосны (х10"3% от сух.в-ва). 2 -пробные площади. 3 - Шелеховский промузсл.

В связи со снижением уровня эмиссий Шелеховского промузла за период 1991-2001 гг. у обследованных деревьев обнаружилось уменьшение в 1,5-2 раза аккумуляции большинства элементов. Установлено, что многолетние изменения содержания токсичных элементов в хвое коррелируют с их количеством в выбросах Шелеховского промузла. Наиболее тесные корреляционные связи выявлены между динамикой фтористого водорода в эмиссиях и накоплением фтора в хвое сильно угнетенных деревьев (г=0,95±0,06, Р>0,05, п=11). Теснота связи между содержанием других элементов в выбросах и хвое ниже - для серы г=0,83±0,04, меди г -0,65^0,04, алюминия г=0,67+0,02.

Изменения содержания токсикантов в хвое угнетенных деревьев в течение периода наблюдений характеризуются высокими коэффициентами вариации -25-50 %, у фоновых деревьев они составляют не более 15 %. Обнаружено, что в жаркие и сухие годы в хвое угнетенных деревьев отмечалось увеличение накопления большинства токсических элементов - на 10-20 % от средних многолетних значений.

Исследования сезонной динамики содержания загрязняющих элементов в хвое показали, что она зависит от интенсивности физиологических процессов деревьев. Концентрация большинства поллютантов (фтора, серы, свинца, ртути, железа, меди) минимальна в середине вегетации, в начале и конце - выше уровня середины сезона на 20-50 %.

ГЛАВА 4. Изменение содержания биофильных элементов и некоторых органогенных соединений в хвое сосны при воздействии фторсодержащих выбросов

При исследовании элементного состава хвои деревьев, в разной степени ослабленных эмиссиями, выявлено существенное снижение содержания таких важных биофилов, как фосфор, калий, марганец, цинк. Их концентрация уменьшается на 50-60 % по сравнению с фоновыми уровнями, при этом наиболее значительно (в 3-5 раз) падает концентрация марганца. В то же время, в хвое сосны ма 20-50 % увеличивается содержание кальция и магния, в 2-3 раза натрия. В хвое угнетенный деревьев до 2 раз снижается количество биохимически активных кислоторастворимых фосфорсодержащих фракций (общей, органической и минератьНой), изменяются соотношения между разными формами фосфора в направлении возрастания доли неорганических фосфаюв и уменьшения

доли органических. При угнетении деревьев выявляется тенденция к увеличению в хвое общего азота (на 20-50 %) и его небелковой фракции (до 2-3 раз), содержание белкового азота несколько снижается. Как ранее было установлено, величина соотношения между белковой и небелковой фракциями азота служит высокоинформативным показателем состояния деревьев (Михайлова, 1997). Этот показатель, а также уровень дефолиации крон, легли в основу разработанной шкалы оценки жизненного состояния древостоев (табл.1).

Таблица I

Шкала оценки жизненного состояния древостоев (Михайлова, Бережная, 2002) ^Степень угнетения | Отношение Уровень де- т Жизнеспособ-

древостоев Ыбелк.ЛМнебелк. фолиации ность древосто-

в хвое крон, % ев, %

Усыхающие 0,9-1,8 >70-100 0-30

Сильно угнетенные 1,9-3,2 >50-70 >30-40

Средне угнетенные 3,3-4,7 >40-50 >40-70

Слабо угнетенные 4.8-6,4 >30-40 >70-90

Фоновые древостой 6.5-8,4 0-30 >90-100

Изменения содержания исследованных элементов и органогенных веществ в хвое угнетенных деревьев в наибольшей степени обусловлены накоплением фторидов, что подтверждается выявленной нелинейной зависимостью высокой степени детерминации. Наиболее высокие коэффициенты детерминации (R2) обнаруживаются для таких показателей, как соотношение Кбелк./Мнебелк., количество кислоторастворимых форм фосфора, уровень калия и марганца в хвое (рис. 2).

Установлено, что за период наблюдений (с 1991 по 2001 гг.), характеризующийся снижением объемов эмиссий и соответствующим уменьшением аккумуляции токсикантов в хвое, у сильно и средне угнетенных деревьев содержание биофильных элементов и органогенных соединений увеличилось на 2030%. Наиболее высокие коэффициенты корреляции обнаружены между многолетней динамикой этих показателей в х«ое сильно угнетенных деревьев и накоплением в ней приоритетного пол.нотанта - фтора: с соотношением фракций азота (г—0 89±0 03 п II Р 0 05), содержанием белковых веществ (г -ОНО __ 0,02), калия (г--0,60±0 03). общего фосфора (г -0 Н4_0 ИЗ), органической кисло-торастворимой фракции фосфора (г—0.81 ±0.03) У слабо уг нетенных деревьев

Соотношение \белк./Ьнебе |к.

I? = 0,80

О 5 10 15 20 25

1(1

-д. л « " 6

¡/4

&2 § X 2

О

Фосфор кис юторастворимыи

10 15 20 25 Марганец # = 0,75

15 20 25

С отержанис фтора, X 10 % от сухого вещества

Рис. 2. Зависимость изменения содержания элементов и органогенных соединений от накопления фтора в хвое (п=50).

за период исследований эти показатели несколько ухудшились; тогда как у фоновых они существенно не изменились.

При исследовании многолетней вариабельности содержания биофильных элементов и органогенных соединений в хвое угнетенных деревьев выявлен ее высокий и средний уровень: коэффициенты вариации составляют 20-50 % (у фоновых - не более 11 %), что на наш взгляд, в значительной степени объясняется неоднородностью гидротермических условий вегетационных периодов. Отмечено, что в засушливые и жаркие годы существенно ухудшалась обеспеченность чвои угнетенных древостоев белковым азотом, калием, марганцем, фосфором и его кислоторастворимыми формами.

Сезонная динамика содержания биофильных элементов, как и токсичных (см. I л.З) в хвое угнетенных деревьев в наибольшей мере определяется изменениями физиологических процессов. Более высокий уровень биофильных элементов и органогенных веществ обнаруживается в начале и конце вегетации; в

ее середине, в период интенсивной ростовой и метаболической активности, их концентрация снижена на 10-30 %.

ГЛАВА 5. Изменение морфоструктурных и визуальных параметров древо-стоев при загрязнении фторсодержашими выбросами

У угнетенных деревьев выявлены: высокий уровень дефолиации крон, максимально достигающий 70-90%; некрозы хвои; нарушение осевого ветвления, изменение формы кроны, суховершинность; снижение длины и массы хвои и побегов от 1,5 до 5 раз; сокращение продолжительности жизни хвои до 1-3 лет (табл.2). В наибольшей степени от аккумуляции фтора в хвое зависят: уровень дефолиации, продолжительность жизни хвои, длина побега и масса хвои побегов (рис. 3).

Многолетняя динамика исследованных показателей свидетельствует об их заметном улучшении за период 1991-2001 гг Установлено, что изменение этих показателей корреляционно связано со снижением уровня фторидов в хвое Так. коэффициент корреляции между содержанием фтора в хвое и уровнем дефолиации сильно угнетенных деревьев составляет 0,95±0,02, продолжительностью жизни хвои г- -0,99±0,02, длиной хвои г=-0,98±0,02, длиной побеш г -0,85±0,04, массой хвои побега г= -0,94±0,03 В то время как коэффициенты корреляции между изменением этих параметров и накоплением других элементов в хвое гораздо ниже, например, между уровнем дефолиации и уровнем серы г 0,65+0,02. свинца г^0,55±0,03, кадмия г=0,58±0,03, алюминия г 0,45±0,05

ГЛАВА 6. Динамическое картографирование и прогнозирование состояния лревостоев

Пространственная оценка состояния лесов на территории, прилегающей к

Шелеховскому промузлу, осуществлялась по разработанной методике эколого-фитотоксикологического картографирования (Плешаков, Михайлова, 1996; Картографическая ..., 1999; Плешанов и др., 2000). Ранжирование древосюев по их жизненному (физиологическому) состоянию производилось с использованием кластерного анализа данных об уровне дефолиации крон и соотношении белковой и небелковой фракций азота в хвое (см. 1абл. 1) на каждой пробной площади Анализировались данные, относящиеся к началу 1990-1 г. и для современного периода. Общая площадь лесов, уп<е(енны\ эмиссиями Шслеховскою промузла, за прошедшее время увеличилась почти в 2 раза с 69,3 до 131.3 тыс. [а (рис 4). На обследованной территории выявтенм фоновые, слабо, средне.

Таблица 2

Морфоструктурные и визуальные показатели сосновых древостоев, угнетенных фторсодержащими выбросами

Степень угнетения древостоев Уровень дефолиации, % Возраст хвои, лет Длина побега, см Длина хвои, см Масса хвоинки, мг Масса хвои на побеге, г

Сильная >70* 1-2 6,0+1,5 ^ 3,6+0,1 16,8+0,8 1,24+0,18

50-60 ** 2-3 9,7+1,8 5,2±0,6 26,5±1,3 4,03+0,66

Средняя 50-65 2 11,7+1,1 4,2±0,2 19,6±0,4 4,9610,65

40-50 3-4 14,8±1,9 5,5±0,3 31,311,1 5,4210,42

Слабая 40-50 3-4 14,1±1,3 4,9+0,3 30,8+0,9 6,4910,20

40-45 4 14,6±1,2 5,0+0,3 26,511,0 5,9110,58

Фоновые древостой 30-40 5 15,4+1,7 5,6±0,2 36,5+0,3 7,96Ю,78

30 5-6 15,7+1,8 5,3+0,5 35,4+1,5 7,3610,77

* в начале 1990-х гг.; ** в современный период

100 ь 80

5 60

1 40 20 0

Уровень дефолиации

0

Я1 = 0,90

5 10 15 20 25

Продолжительность жизни хвои

Я* = 0,83

5 10 15 20 25

Масса хвои побега 2-го года жиши

& = 0,91

15 20 25

Содержание (¡лора X 10 % от <.>того вещества

Рис. 3. Зависимость изменения морфоструктурных и визуальных параметров деревьев от накопления фтора в хвое (и-50).

104*20'

52" 12

51*5«'

104*20'

104*36'

52*20'

Рис. 4. Состояние сосновых древостоев на территории, загрязняемой фторсо-держащими выбросами Шелеховского промышленного узла: а) в начале 1990-\ 11.. б) в современный период Древостой: 1 - усыхающие. 2 - сильно угнетенные, 3 - средне угнетенные. 4 -слабо угнетенные, 5 - фоновые древостой. 6 - древостой, испытывающие воздействие других промышленных центров 7 Шелеховский пром>зел. 8 пробные площади

сильно угнетенные сосновые древостой, а также усыхающие. В современный период усыхающие насаждения занимают незначительные локальные участки, в сравнении с началом 1990-х п. их площадь уменьшилась с 2,2 до 0,3 тыс. га. Площадь сильно угнетенных древостоев сократилась - с 20,4 до 11,9 тыс. га. Вместе с тем, территория, на которой древостой характеризуются средней и слабой степенью угнетения, существенно расширилась - соответственно, в 2,3 (с 22,8 до 53,5 тыс. га) и 2,8 раза (с 23,8 до 65,7 тыс. га).

На основе собственных данных и материалов других авторов прослежено развитие процесса поражения лесов с момента пуска алюминиевого завода по настоящее время (рис. 5). Выявляются следующие этапы динамик состояния древостоев на фоне меняющихся объемов выбросов Шелеховского промузла. Первый - продолжался с момента пуска завода в 1962 г. до 1974-75 гг и характеризовался начальным скрытым ослаблением деревьев с последующим быстрым развитием признаков острого поражения и появлением первых усыхающих древостоев на локальных участках. Второй этап (1975 г-1993-94 гг) характеризовался высокой динамичностью процесса ослабления сосновых древостоев Их повреждение достигло критического уровня, жизнеспособность деревьев снизилась в 2-3 раза по сравнению с предыдущим этапом Объем эмиссий в этот период был максимальным и достигал 100 тыс. т. С середины 1980-х годов началось постепенное снижение количества выбросов, однако одновременного улучшения состояния древостоев не наблюдалось. Третий этап (1994-95 гг.-1997 г ) характеризовался появлением «отклика» древостоев на уменьшение эмиссионной нагрузки, то есть ответная реакция древостоев проявилась через 10 лет от начала снижения объема аэровыбросов и заключалась в некотором улучшении состояния деревьев сильной и средней степени угнетения, состояние слабо угнетенных древостоев не изменилось. Четвертый этап (с 1997 г. и по настоящее время) характеризуется преобладанием хронического угнетения умеренной интенсивности во всех древостоях на фоне относительно стабильных объемов выбросов.

Как следует из рис. 5. ответная реакция древостоев на изменение объема эмиссий нелинейна и различна в зависимости от степени их угнетения. У сильно и средне угнетенных насаждений обнаруживается выраженный ступенчатый характер динамики состояния, как при возрастании, так и при снижении токсической на-1рузки Появлению визуальных изменений в состоянии древостоев предшествует

100 -

Я

'J -« 80 .

о г,

»о 60 -

X м

1 3 40

х —

ю 20 0

100 -

80 ■

9 60 -

о

X 40 -

и 20

л -

л

i> 0 -

С- 100 -

О

г1 80 •

.с 60 -

О 40

X 0 _г

1С 100

о

'J

о 80

z 60 -

о

= 0 3

100 1 80 0

Прогнозные варианты

у(х)-0,22 т,"тД. т.~ ............ г

№,995 .......„

*'■•• б

#-0,99» г

.....б

у(х)~0,33т,"т, 991

о

1962

1470

1978

2002 2010 [О!

1986 1994 / U 1И VI

Этапы развития процесса поражения древостоев

Рис. 5. Динамика выбросов Шелечовского промузла (А) и уровня жизнеспособности сосновых древостоев: Б - сильно, В - средне, Г - слабо у i не!енных.

Д - фоновых древостоев.

UpoiHOiHbie варианты развишя сигуации а - количество выбросов не изченит-ся. б - увечичится на 30 % от существующею ныне уровня, в уменьшится на 30% от существующего ныне уровня, г - эмиссионная нафузка будет снята полное 1ью Про-inoi осущесгв |я 1ся по указанным уравнениям регрессии, где v - жизнеспособнос 1ь шревьсв г,, х х„ - независимые переменные, отражающие содержание элементов и органогенных веществ в хвое сосны, Ь - константа функции, nil, т- т„ - коэффициенты. соответствующие каждой независимой переменной, п ¡4

период инерционности, который на начальных этапах воздействия выбросов был обусловлен еще высокой общей устойчивостью деревьев. При снижении техногенного пресса инерционность состояния древостоев вызвана глубоким подавлением метаболизма и защитных реакций, для восстановления которых необходим значительный период времени Динамика древостоев слабого угнетения характеризуется трендом в сторону ухудшения их состояния без резких ступенчатых переходов. Грен л многолетней динамики состояния фоновых древостоев также нелинейный и характеризуется очень медленно развивающимся ослаблением.

Накопленные фактические данные послужили основой для прогнозирования состояния обследованных древостоев. Оно осуществлялось по нескольким возможным сценариям изменения объемов выбросов Шелеховского промузла. Прогнозные расчеты свидетельствуют, что в случае сохранения объемов аэровыбросов на существующем ныне уровне (см. рис. 5, вариант а) в ближайшие 10 лет состояние древостоев всех степеней угнетения будет соответствовать наблюдающемуся в настоящий период с небольшими колебаниями как в сторону ухудшения, так и улучшения Увеличение эмиссионной нагрузки на 30% от существующего ныне уровня (см. рис. 5, вариант б) приведет к прогрессированию ослабления обследованных древостоев уже в ближайшие 2-3 года. Снижение объемов аэровыбросов Шелеховского промузла на 30 % от существующего ныне уровня (см. рис. 5, вариант в) в ближайшее десятилетие будет способствовать улучшению состояния древостоев, однако без последующего развития этой тенденции. Если эмиссионная нагрузка будет снята полностью (см рис. 5, вариант г), то состояние древостоев сильной и средней степени угнетения начнет улучшаться с дальнейшим прогресси-рованием этого процесса уже в ближайшие 3-5 лет. у слабо угнетенных древостоев переход к улучшению будет постепенным.

ВЫВОДЫ

1, На обследованной территории фторсодержащие эмиссии являются приоритетным не! ативным фактором, определяющим физиологическое состояние сосновых древостоев. Содержание фтора в хвое сосны превышает фоновые концентрации в 2-20 раз, серы, свинца, ртути, железа, меди, кадмия, алюминия, кремния - в 2-10 раз.

2. При ослаблении сосновых древостоев фторсодержащими выбросами в хвое уменьшас!ся содержание калия, мар!анца, цинка, фосфора и его кислото-

растворимых фракций, белковых соединений, в то время как уровень небелковых веществ возрастает, вследствие чег о нарушается соотношение между фракциями азота.

3. Многолетние изменения содержания элементов, как токсичных, так и биофилов, в хвое угнетенных деревьев зависят от количес1ва выбросов и от гидротермических условий вегетационных периодов.

4. Установлена высокая степень детерминации изменения морфофизиоло-гических параметров деревьев от уровня накопления фтора в хвое, что описывается нелинейными функциями.

5. Выявлены показатели, наиболее адекватно отражающие состояние деревьев при угнетении фторсодержащими эмиссиями: содержание калия, марганца, цинка, фосфора и его кислоторастворимых фракций, соотношение белковой и небелковой фракций азота. В соответствии с их изменением на обследованной территории выделены древостой разной степени угнетения - сильной, средней, слабой, а также фоновые (относительно здоровые).

6. Многолетние изменения морфофизиолог ических показателей свидетельствуют, что при долговременном воздействии выбросов состояние древо-стоев характеризуется выраженной инерционностью, проявляющейся как при возрастании объема эмиссий, так и при его уменьшении.

7. Динамическое картографирование древостоев, подвергающихся воздействию фторсодержащих эмиссий Шелеховского промузла, показало, что за прошедшее десятилетие общая площадь ослабленных лесов увеличилась почти вдвое и составляет более 130 тыс. га, в том числе сильно угнетенных - 12 тыс.га, средне угнетенных - 54 тыс. га, слабо угнетенных - 66 тыс. га. В современный период практически не обнаруживается усыхающих насаждений, вдвое уменьшилась плошадь сильно угнетенных, и почти в 2 раза расширилась территория средне и слабо угнетенных древостоев.

8. Осуществлено прогнозирование состояния лесов на ближайшее десятилетие в зависимости от изменения техногенной нагрузки. Показана возможность резкого ухудшения состояния лесов при увеличении объема выбросов Шелеховского промузла на 30 % от современного уровня.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Воздействие промышленных »миссий на хвойные леса Приангарья / ТА. Михайлова. Н.С. Кочмарскаи (Бережная). Л В Анциферова. А.С Плешанов // Оценка состояния водных и наземных экосистем: Экологические проблемы Прибайкалья. -Новосибирск, 1994.-С. 127-131.

2. Михайлова Т А Инерционность состояния лесных экосистем /ТА Михай-

лова, H.С. Бережная // Проблемы сохранения биорашообразия Мат. конф. «Пробтемы экологии». - Новосибирск. 1998. -С. 188-191.

3. Михайлова Т А. Факторы ослабления сосновых лесов Верхнего Приангарья / Т.А Михайлова, О А Анисимова. Н.С. Бережная // Энтомологические проблемы Байкальской Сибири. - Новосибирск, 1998. - С. 153-159.

4. Картографическая оценка состояния растительности, загрязняемой аэропро-мвыбросами промышленных центров Верхнего Приангарья / A.C. Плешанов, Т.А. Михайлова, В.И Воронин, Н.С. Бережная. В И Эпова, Т.Н. Морозова, С.Ю. Тощаков // Проблемы Земной цивилизации' Материалы докл науч. конф., 8 июня 1999 г - Иркутск, 1999.-Вып. 1,ч. 1,-С. 109-113.

5. Михайлова Т А Оценка состояния сосновых лесов при длительном воздействии аэропромвыбросов Ирку гского алюминиевого завода / Т.А. Михайлова, Н.С. Бережная // География и природные ресурсы. - 2000 - № 1. - С 43-50

6. Показатели состояния пигментного комплекса сосны обыкновенной, угнетенной аэропромвыбросами / Т.А. Михайлова, Н.С. Бережная, Л.В. Русакова, Л.С Янькова // Сибирский экол журн. - 2000 - № 6. - С. 693-697.

7. Комплексная эколого-фитотоксикологическая карта (М 1:1000000) / A.C. Плешанов, Т А. Михайлова, В.И. Воронин, Н.С. Бережная, В И. Эпова, Т.Н. Морозова, С.Ю. Тощаков // Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды в Иркутской области в 1999 году. - Иркутск, 2000. - С.84-90.

8. Бережная Н.С. Мониторинг атмосферного загрязнения фторидами лесов юго-западной части Байкальского peí иона / НС. Бережная // Современные проблемы байкаловедения: Сб. тр. молодых ученых. - Иркутск, 2001 -С 9-18.

9. Михайлова Т А Динамика состояния сосновых лесов при изменениях эмиссионной нагрузки /ТА Михайлова, U.C. Бережная // Сибирский экол. журн - 2002. -№ 1.-С. 113-120.

10. Mikhailova ТА Effects from Industrial Emissions on the Lake Baikal Region Forest / T.A. Mikhailova, N.S. Berezhnaya // Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality. NATO Science Series. IV. Earth and Environmental Science. -Dordrecht Kluwer Academic Publisher, 2002 - Vol.16 -P 311-315

11. Изменение баланса элементов в хвое сосны обыкновенной при техногенном зафя)нении //ТА Михайлова, Н.С. Бережная. О В Игнатьева. Л В Афанасьева // Сибирский жол. журн. - 2003 - № 6. - С.755-762.

12. Атмосферное загрязнение лесов Байкальской природной территории / А.С Плешанов, Т А. Михайлова, Н.С. Бережная, С.Ю. Тощаков // Государственный доклад о состоянии окружающей среды Иркутской области в 2003 г - Иркутск, 2004 - С. 238-243.

13. Михайлова Т А Оценка состояния лесов на территории проектируемого размещения крупного алюминиевого производства / Т.А. Михайлова, Н.С. Бережная, О.В Игнатьева // Лесное хоз-во - 2004. - № 4. - С. 29-30.

14. Воздействие фторсодержаших соединений на состояние хвойных лесов Предбайкалья / ТА Михайлова, Н.С. Бережная. Л В Афанасьева. OB Игнатьева. О В. Шергина // Лесоведение. - 2005 - № 2. - С.38-45.

15. Комплексная зкологическая опенка состояния лесов Тайшетского района перед ¡апуском алюминиевого производс!ва в г Тайшете /ТА Михайлова, H С Бережная, A.C. Плешанов [и др ] / Отв. ред 1 А Михайлова. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАИ. 2005. - 159 с

Иркутская Полиграфическая компания, 664000, г Иркутск, ул. Российская, 17; оф. 101.

тел. 340495

Подписано в печать 19 09 2005 г. Печать офсетная; объем I п. л., тираж 140 ж»..

формат 60 х 84, 1/16. заказ № 160975.

1ШИ

РНБ Русский фонд

2006-4 17638

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Бережная, Надежда Станиславовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Оценка нарушенности лесных экосистем промышленными эмиссиями (состояние вопроса).

ГЛАВА 2. Характеристика района работ, объекты и методы исследований.!

2.1. Физико-географическая характеристика района исследований.

2.2. Динамика атмосферных выбросов Шелеховского промышленного узла.

2.3. Объекты и методы исследований.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Накопление элементов-токсикантов в хвое сосны при воздействии эмиссий Шелеховского промышленного узла.

3.1. Содержание фторидов.

3.2. Содержание серы.

3.3. Содержание тяжелых металлов (свинца, кадмия, ртути, меди, железа), алюминия и кремния.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Изменение содержания биофильных элементов и некоторых органических соединений в хвое сосны при воздействии фторсодержащих выбросов.

4.1. Содержание азотистых веществ.

4.2. Содержания фосфорных соединений.

4.3. Содержание кальция, магния, калия, натрия.

4.4. Содержание микроэлементов (марганца, цинка).

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. Изменение визуальных и морфоструктурных параметров древостоев при загрязнении фторсодержащими выбросами.

5.1. Изменение уровня дефолиации крон.

5.2. Оценка степени дехромации.

5.3. Продолжительность жизни хвои.

5.4. Биометрические показатели хвои и побегов.

Выводы по главе 5.

ГЛАВА 6. Динамическое картографирование и прогнозирование состояния древостоев.

6.1. Динамическое картографирование состояния лесов.

6.2. Прогнозирование состояния ослабленных лесов.

Выводы по главе 6.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Трансформация сосновых лесов Верхнего Приангарья, загрязняемых фторсодержащими эмиссиями"

Актуальность проблемы. В последние десятилетия атмосферное загрязнение, наряду с воздействием насекомых-вредителей, пожарами и рубками, считается одним из приоритетных негативных факторов, вызывающих изменения в состоянии лесов бореальной зоны (Исаев и др., 1997; Ваганов, Плешиков, 1998; Effects 2002). Охватывая значительные территории и негативно влияя на леса, оно приводит к нарушению их средообразующих и средозащитных функций (Харук, 1998; Мониторинг ., 2000). К числу таких проблемных регионов бореальной зоны относится и Верхнее Приангарье (Михайлова, 2003).

Ответная реакция лесных экосистем на долговременное аэротехногенное загрязнение интегральна и выражается в разной степени их деградации. Ключевые тенденции трансформации лесных экосистем наиболее адекватно выявляются по изменению состояния их главного компонента - древесного яруса (Алексеев, Дочинжер, 1981; О взаимосвязи 1988; Рожков, Михайлова, 1989). Анализ пространственно-временной динамики состояния древо-стоев дает возможность разработки модели их «поведения» при определенной стрессовой нагрузке. Эта информация важна не только для создания современных природоохранных программ, но и для осуществления перспективного прогнозирования, в том числе по оптимизации допустимого техногенного воздействия аэропромвыбросов. При этом достоверность прогноза значительно возрастает, если он осуществляется на основе длительных непрерывных наблюдений, начатых с момента появления техногенного пресса. Подобного рода работ немного, а для Сибири они практически отсутствуют. В то же время, этот регион характеризуется активным развитием промышленности, в том числе алюминиевой. Помимо уже имеющихся заводов, здесь планируется создание новых мощных алюминиевых производств. Все эти предприятия отличаются большим содержанием в выбросах соединений фтоpa, обладающих высокой токсичностью для растений, особенно для хвойных пород. В связи с этим, актуальна оценка роли этого негативного фактора в изменении состояния лесных экосистем, осуществляемая по комплексу параметров, характеризующих степень угнетения древостоев, и корреляционно связанных с уровнем загрязнения.

Цель работы: исследовать пространственно-временную динамику эко-лого-физиологического состояния древостоев сосны обыкновенной при длительном воздействии фторсодержащих выбросов и дать прогноз развития ситуации в лесах.

Задачи исследований;

- изучить пространственные, многолетние и сезонные изменения накопления в хвое сосны элементов-токсикантов и ряда элементов-биофилов;

- на основе комплекса визуальных и морфофизиологических показателей дать оценку жизненного состояния древостоев разной степени ослабления;

- провести динамическое картографирование лесопокрытой территории, загрязняемой фторсодержащими аэропром выбросам и, результаты отразить на картах-схемах (Ml : 500 ООО);

- дать прогноз состояния лесов по нескольким возможным сценариям изменения объема фторсодержащих аэропром выбросов.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. На обследованной территории фториды являются приоритетными поллютантами, определяющими физиологическое состояние древостоев.

2. Ответная реакция древостоев на изменение интенсивности техногенной нагрузки характеризуется высокой степенью инерционности.

3. Пространственно-временная динамика состояния древостоев, подвергающихся воздействию промышленных выбросов, адекватно отражается методами эколого-фитотоксикологического картографирования.

Научная новизна работы. Показано, что при воздействии многокомпонентных эмиссий алюминиевых заводов доминирующая роль принадлежит фторсодержащим соединениям как основному негативному фактору, определяющему физиологическое состояние древостоев. Установлена тесная зависимость между изменением комплекса морфофизиологических параметров деревьев и накоплением в хвое приоритетных токсикантов - фторидов. Выявлены репрезентативные показатели, наиболее адекватно отражающие состояние древостоев при воздействии фторсодержащих эмиссий. Изучены закономерности пространственной, многолетней и сезонной динамики морфо-структурных параметров и элементного состава хвои древостоев разной степени угнетения. Выявлены особенности трансформации древостоев, зависящие от изменения уровня эмиссионной нагрузки, они заключаются в наличии выраженной инерционности состояния насаждений как при возрастании объема эмиссий, так и при его уменьшении. Разработан алгоритм обобщения данных для прогнозирования состояния ослабленных древостоев при разных сценариях изменения эмиссионной нагрузки. Показано, что пространственно-временные изменения состояния лесов адекватно моделируются методами динамического картографирования.

Практическая значимость работы. Полученные материалы о многолетней динамике состояния сосновых древостоев могут служить для обоснования уровня допустимых фторсодержащих эмиссий алюминиевых заводов и других предприятий, выбрасывающих фториды. Разработанные карты-схемы ослабления лесов могут использоваться административными органами как информационный базис при принятии решений по оптимизации лесохозяйст-венной деятельности на загрязняемых территориях, планировании мероприятий по предупреждению и устранению негативных процессов в лесных экосистемах. Результаты исследования включены в итоговые отчеты по хоздоговорным работам о состоянии лесов зеленой зоны города Шелехова и использовались Шелеховской городской администрацией при подготовке документации для разработки Федеральной программы «Комплекс неотложных мероприятий по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической обстановки и здоровья населения г.Шелехова Иркутской области» (Постановление Правительства РФ от 22.04.97 № 456). Материалы исследований неоднократно публиковались в докладах Государственного Комитета по охране природы о состоянии окружающей среды в Иркутской области (Экологическая 1993-95; Государственный., 1996-2001). Полученные материалы использовались также для прогнозирования состояния лесов в районе проектируемого алюминиевого завода в г. Тайшете Иркутской обл.

Апробация работы. Результаты исследований представлялись на 15 международных конференциях, в том числе «СибЭко-93» (Иркутск, 1993), «Экология и охрана окружающей среды» (Пермь, 1995), «Методы оценки, состояния и устойчивости лесных экосистем» (Красноярск, 1999), 3-й Международной Верещагинской Байкальской конференции (Иркутск, 2000), 6-м Международном симпозиуме «Acid rain-2000» (Tsucuba, 2000), «Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality» (Иркутск, 2001), «Средообразующая роль бореальных лесов: локальный, региональный и глобальный уровни» (Красноярск, 2002), «Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар, 2003), III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионук-леиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), «Plant Responses to Air Pollution and Global Changes» (Tsukuba, 2004); на 11 Всероссийских конференциях, в том числе, «Физико-химические основы физиологии растений» (Пенза, 1996), «Экология таежных лесов» (Сыктывкар, 1998), «Экология и рациональное природопользование на рубеже веков. Итоги и перспективы» (Томск, 2000), «Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды» (Иркутск, 2000), «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (Красноярск, 2004), а также на ряде региональных совещаний.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка использованной литературы, включающего 351

Заключение Диссертация по теме "Экология", Бережная, Надежда Станиславовна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На обследованной территории фторсодержащие эмиссии являются приоритетным негативным фактором, определяющим физиологическое состояние сосновых древостоев. Содержание фтора в хвое сосны превышает фоновые концентрации в 2-20 раз, серы, свинца, ртути, железа, меди, кадмия, алюминия, кремния - в 2-10 раз.

2. При ослаблении сосновых древостоев фторсодержащими выбросами в хвое уменьшается содержание калия, марганца, цинка, фосфора и его кислоторастворимых фракций, белковых соединений, в то время как уровень небелковых веществ возрастает, вследствие чего нарушается соотношение между фракциями азота.

3. Многолетние изменения содержания элементов, как токсичных, так и биофилов, в хвое угнетенных деревьев зависят от количества выбросов и от гидротермических условий вегетационных периодов.

4. Установлена высокая степень детерминации изменения морфофи-зиологических параметров деревьев от уровня накопления фтора в хвое, что описывается нелинейными функциями.

5. Выявлены показатели, наиболее адекватно отражающие состояние деревьев при угнетении фторсодержащими эмиссиями: содержание калия, марганца, цинка, фосфора и его кислоторастворимых фракций, соотношение белковой и небелковой фракций азота. В соответствии с их изменением на обследованной территории выделены древостой разной степени угнетения — сильной, средней, слабой, а также фоновые (относительно здоровые).

6. Многолетние изменения морфофизиологических показателей свидетельствуют, что при долговременном воздействии выбросов состояние древостоев характеризуется выраженной инерционностью, проявляющейся как при возрастании объема эмиссий, так и при его уменьшении.

7. Динамическое картографирование древостоев, подвергающихся воздействию фторсодержащих эмиссий Шелеховского промузла, показало, что за прошедшее десятилетие общая площадь ослабленных лесов увеличилась почти вдвое и составляет более 130 тыс. га, в том числе сильно угнетенных — 12 тыс.га, средне угнетенных - 54 тыс. га, слабо угнетенных — 66 тыс. га. В современный период практически не обнаруживается усыхающих насаждений, вдвое уменьшилась площадь сильно угнетенных, и почти в 2 раза расширилась территория средне и слабо угнетенных древостоев.

8. Осуществлено прогнозирование состояния лесов на ближайшее десятилетие в зависимости от изменения техногенной нагрузки. Показана возможность резкого ухудшения состояния лесов при увеличении объема выбросов Шелеховского промузла на 30 % от современного уровня.