Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Устойчивость древесных растений в урбоэкосистемах северных территорий

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Устойчивость древесных растений в урбоэкосистемах северных территорий"

На правах рукописи

0051)^«-■

ГАВРИЛИН ИГОРЬ ИГОРЕВИЧ

УСТОЙЧИВОСТЬ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УРБОЭКОСИСТЕМАХ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ (на примере г. Братска Иркутской области)

03.02.08 - Экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Ульяновск-2012

1 4 [1ЮН 2012

005045897

Работа выполнена на кафедре воспроизводства и переработки лесных ресурсов в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Братский государственный университет»

Научный доктор сельскохозяйственных наук, профессор

руководитель: Рунова Елена Михайловна

Официальные доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры оппоненты: «Лесного хозяйства» ФГБОУ ВПО «Ульяновский

государственный университет» Бабинцева Роза Михайловна

доктор биологических наук, доцент кафедры «Селекции, генетики и дендрологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» Румянцев Денис Евгеньевич

Ведущая Федеральное государственное бюджетное

организация: образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск)

Защита состоится «21 » июня 2012 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет» по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, д. 106, корпус 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, а с авторефератом - на сайте ВУЗа http://www.uni.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г.Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, Ульяновский государственный университет, управление научных исследований.

Автореферат разослан «19» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент

С.В. Пантелеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Загрязнение окружающей среды в крупных промышленных городах в настоящее время привело к масштабным изменениям экологических условий и ухудшению качества среды обитания живых организмов (Trowbridge, 2004; Рунова, 2011). Особенно сильно данные преобразования затронули регионы Сибири (Шергина, 2006), где формирование промышленных центров привело к необоснованной концентрации крупных индустриальных комплексов и к осложнению экологической обстановки (Михайлова, 2001; Угрюмов, 2007). Зеленые насаждения являются одним из важнейших факторов, способствующих оздоровлению урбанизированных территорий и поддержанию в них благоприятной экологической обстановки (Уфимцева, 2005). Однако древесные растения в большинстве случаев не выдерживают существующей техногенной нагрузки, происходит ухудшение их состояния, ослабление и гибель (Гаврилин, 2011). Особенно актуальным становится изучение устойчивости и жизнеспособности древесных растении в условиях урбоэкосистем северных территорий. В связи с этим необходимы комплексные исследования состояния компонентов окружающеи средь, (атмосферного воздуха, снежного покрова, почвы) и показателей состояния

Г°^и^пьХ1^^^№'ва^ияСТ-Ноцёнка экологического состояния и устойчивости древесных растений в урбоэкосистемах северных территорий на примере города Братска, и разработка комплекса мероприятий по улучшению состояния

древесной растительности.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи. . Выявить особенности содержания и распределения загрязняющих веществ в системе: «атмосфера - снежный покров - почва - древесные растения» для зонирования"территории урбоэкосистемы;

. Определить реальную, потенциальную газопоглотительную и пылеосаждающую способность древесных растений в зоне влияния выбросов промышленных предприятий в зависимости от уровня загрязнения; . Исследовать состояние древесных растений в условиях техногенного загрязнения по содержанию влаги в прикамбиальном слое деревьев, ивыявить основные факторы риска угнетения и снижения устойчивости деревьев в

условиях урбоэкосистемы;

. Разработать комплексный показатель оценки устойчивости древесных растений с учетом их экологического состояния;

. Разработать мероприятия и рекомендации по улучшению состояния, повышению устойчивости и выбору ассортимента древесных растении.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные экологические исследования древесных растений и других компонентов урбоэкосистемы Братска, включающие в себя анализ состояния атмосферного воздуха, снега, почвы и растений. Разработана схема зонирования по уровню техногенного загрязнения и получены карты-схемы экологического состояния ее компонентов - атмосферного воздуха, снежного покрова, почв и древесных растении. Получены закономерности изменения состояния древесных растении,

подверженных техногенному воздействию. Выявлены и описаны основны факторы риска угнетения и снижения устойчивости деревьев. Впервы разработан и определен комплексный интегральный показатель устойчивости древесных растений и использован дня оценки состояния насаждений г. Братска.

Теоретическая значимость работы. Результаты проведенны исследований дополняют современные представления о состоянии, устойчивости и адаптивных возможностях древесных растений, находящихс под воздействием комплекса экологических факторов. Материалы, изложенны в диссертационной работе, сформулированные в ней научные положения, выводы и рекомендации вносят существенный вклад в развитие теоретически основ оценки и улучшения экологической ситуации в промышленных центрах и урбанизированных северных территориях.

Практическая значимость работы. Разработаны практические рекомендации, включающие в себя комплекс мероприятий по улучшению состояния зеленых насаждений и выбору ассортимента устойчивых к загрязнению древесных растений, выполняющих санитарно-гигиенические и иные функции. Рекомендации могут служить основой для создания перспективного плана работ по реконструкции, озеленению, оздоровлению, уходу за городской растительностью и почвами, что позволит улучшить экологическую обстановку. Материалы диссертационного исследования использованы при реализации муниципальной целевой программы «Охрана окружающей среды и обеспечение экологической безопасности населения города Братска на период 2007 - 2011 гг.», при разработке долгосрочной целевой программы «Охрана окружающей среды и здоровья населения город Братска на 2012 - 2015 гг.». Материалы представлены в комитет промышленной политики и экологии администрации г. Братска и использованы в процессе совершенствования деятельности по обеспечению безопасности и социально-экономическому развитию города. Результаты диссертационного исследования использованы при создании методики определения состояния древесной растительности г. Иркутска, и могут быть использованы при подготовке бакалавров и магистров лесного и экологического профиля.

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работ выполнена в ходе научного направления кафедры воспроизводства и переработки лесных ресурсов «Муниципальный контракт на оказание услуг по мониторингу лесов, подвергающихся антропогенному воздействию выбросо промышленных предприятий», для зеленых насаждений города Братска и его окрестностей. Результаты исследований использованы в рамках заказ-наряд Министерства науки и образования РФ по теме «Особенности устойчивости биоразнообразия лесных экосистем в условиях длительного техногенеза» № 01201253425 от 10.02.2012 г..

Декларация личного участия автора. Автором определена цель и поставлены задачи, подобраны основные методы исследований. Авто непосредственно участвовал в выполнении экспериментальных лабораторны исследований, проведении статистического анализа, обсуждения и обобщения данных. Написание текста диссертации, формулирование основны

4

теоретических положений и выводов осуществлено по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в совместных публикациях пропорциональна числу авторов.

Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечивается применением современных методов, значительным объемом проведенных лабораторных исследований, использованием статистических методов обработки и анализа полученных результатов. На защиту выносятся:

- Распределение загрязняющих веществ в системе: «атмосфера - снежный покров - почва - древесные растения» в условиях г. Братска;

- Оценка экологического состояния древесных растений на основе комплекса факторов в условиях урбоэкосистемы;

- Газопоглотительная и пылеосаждающая способность древесных растений в урбоэкосистеме;

- Распределение влаги в прикамбиальном слое древесных растений;

- Комплексный показатель оценки устойчивости древесных растений в

условиях урбоэкосистемы.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях: «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса в рамках концепции 2020» (Екатеринбург, 2009); «Экологические, экономические, социальные и правовые аспекты устойчивого развития» (Екатеринбург, 2009); «Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири» (Братск, 2009 2010); «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2009); «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск: БГИТА, 2009, 2010 г); «Леса Евразии -Польские леса» (Курник, 2009); «Леса Евразии - Подмосковные вечера» (Мытищи, 2010); «Aktualne problemy nowoczesnych nauk» (Przemysl, 2011); «Актуальные проблемы мониторинга экосистем антропогенно нарушенных

территорий» (Ульяновск, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 научные работы, в том числе 4 в ведущих рецензируемых журналах ВАК РФ.

Зарегистрирован 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов, программы и методов исследования, экспериментальной части и выводов общим объёмом 178 страниц компьютерного набора. Работа иллюстрирована 29 таблицами и 48 рисунками. Приложения представлены на 14 страницах и включают 5 таблиц. Список литературы состоит из 232 наименований, в том числе 32 наименования на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, приведены апробация работы и положения, выносимые на защиту, изложена структура диссертации.

Глава 1 содержит обзор литературы и анализ работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных опыту изучения урбоэкосистем и ее отдельных компонентов, проблемам влияния экологических факторов на растительность городов и оценку техногенного воздействия на древесные растения, а также зонирование городов и значение зеленых насаждений в условиях аэротехногенного загрязнения урбанизированных территорий. Наибольший вклад в развитие данного направления внесли работы следующих авторов (Алексеев, 1994; Алексеенко, 2006; Белоголова, 2001; Воронцов, 1991; Гетко, 1989; Григорьев, 2000; Ильин, 1985; Илькун, 1978; Казаков, 2004; Касимов, 1995; Коновалова, 2000; Кондратов, 2009; Кочерян, 2000; Кулагин, 1974, 1980; Неверова, 2001; Николаевский, 1998; Михайлова, 2001; Мозолевская, 1984; Приседский, 1984; Пузанова, 2005; Рожков, 1989; Рунова, 1999; Самаев, 2004; Сергейчик, 1994; Терехина, 2000; Тетиор, 2007;Уфимцева, 2005; Фролов, 1998; Чернышенко, 2002; Чиндяева, 1998; Шергина, 2006; Ярмишко, 1997;Albasel, 1985; Braun, 1998; Breuste, 1998; Bridgman, 1996; Caboun, 1996; Craul, 1999; Integrated..., 1997; Jim, 2001; Keller, 1983; Siegel, 2002; Smith, 1977; Trowbridge, 2004).

Анализ проведенного обзора литературы определил цель исследований, задачи, их актуальность и теоретическую значимость.

Глава 2 посвящена краткой характеристике района исследований. В главе представлена характеристика природно-климатических и эколого-биологических условий Братска, а также современное экологическое состояние города и древесной растительности. Приведена информация о состоянии компонентов урбоэкосистемы Братска, рассмотрены современные тенденции их загрязнения основными промышленными предприятиями. Рассмотрено функциональное зонирование города и условия произрастания древесных растений на исследуемой территории.

Глава 3 посвящена программе, методике и объему исследования. Общий алгоритм исследований представлен на рисунке 1. Анализ фактических концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы и расчет ИЗА проводился в соответствии с РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» в жилой застройке, на автомагистралях и на границах санитарно-защитных зон предприятий». Определение загрязнения снежного покрова города Братска проводилось в соответствии с принятыми методиками (ГОСТ 4386-89, 1996; ГОСТ 17.1.5.05-85, 1986; ГОСТ 4.4.02-84, 1989 и др.). Исследование и отбор проб почв производился по общепринятым методикам (ГОСТ 4.4.02-84, 1989; ГОСТ 17.4.3.01-83, 1983 и др.). Химический и гранулометрический состав почв определялся по общепринятым методикам (Аринушкина, 1970). Влияние рекреационной нагрузки оценивалось по плотности сложения почв (ГОСТ 17.4.3.01-83, 1983; МУ 2.1.7.730-99, 1999). Основной метод исследования состояния древесной растительности заключался в закладке временных (ВП) и постоянных пробных площадей (ПП) для проведения кратковременных и длительных наблюдений, получения различной достоверной информации о состоянии компонентов убоэкосистемы, сборе экспериментального материала и оценке пространственно-временных изменений растений.

Рисунок 1 - Общий алгоритм исследований Исследования проводились в зеленых зонах города Братска и прилегающих территориях в 2008 - 2010 гг. Объектами исследования являлись шесть основных видов деревьев, представленных в зеленых насаждениях Братска: сосна обыкновенная (Pinns sylvestris L.), лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.), тополь бальзамический (Populas balsamifera L.), береза повислая (Betula pendula Roth.), береза пушистая (Betula pubescen* Ehrh.), осина (Populas trémula L.). Закладка и подбор ПП в городских насаждениях производилась по общепринятым методикам (ОСТ 56-69-83). Оценка состояния деревьев проводилась в соответствии со шкалой, предложенной Е.Г. Мозолевской (2007). Измерения влажности прикамбиального слоя у различных пород деревьев производилось на высоте 1,3 м от комля при температуре 25°С и относительной влажности воздуха 65% с помощью электронного влагомера ИВ-660. Работы на ПП в рамках программы исследования включали в себя отбор проб хвои и листьев деревьев, преобладающих в составе зеленых насаждений района исследования; визуальную оценку состояния растений и определение фитопатологии; описание и опробование почвенных разрезов, заложенных на глубину корнеобитаемого слоя (до 100 см) и отбор почв верхнего и нижнего

горизонтов. „

Всего в рамках исследования устойчивости древесных растении были обследованы 3 временные, 33 постоянные пробные площади и отобраны 1406 проб почв и 820 проб растений. Все анализы выполнялись в аккредитованных лабораториях.

Определение газопоглотительной способности осуществлялось при помощи ион-селективного электрода по методу Ж. Якобсона и Л. Хеллера (Jacobson,

7

1971). Определение пылеосаждающей способности древесной растительности проводилось по стандартным методикам (Алексеенко, 2006). Математическая и статистическая обработка данных, представление их в табличном и графическом виде осуществлена общепринятыми методами (Лакин, 1990; Пузаченко, 2004; Рокитский, 1973) с использованием различных компьютерных программ (Microsoft Excel, Visio, Math Cad и др.). Создание и построение карт выполнено с использованием геоинформационных технологий с помощью программы "Locator GIS".

Глава 4 включает 4 раздела и посвящена изложению и обсуждению результатов, полученных в ходе исследования.

Раздел 4.1. Особенности экологического состояния атмосферного воздуха. Проведен анализ загрязнения промышленными выбросами атмосферного воздуха урбоэкосистемы Братска. Данные о годовом объеме загрязнения валовым выбросом атмосферного воздуха Братска представлены на рисунке 2.

145 т—----_____--

loo 4————,---,-,--- --,

2005 2006 2007 2008 200» 2010

Годы

^—Валовый выброс — Ляненна* {Валовынвыорос}

Рисунок 2 - Динамика валовых выбросов в атмосферный воздух Братска

(2005-2010 гг.)

Из рисунка 2 видно, что годовой объем валового выброса загрязняющих атмосферный воздух города Братска веществ имеет тенденцию к снижению, однако его значение остается достаточно высоким. Наглядно вклад в загрязнение воздушного бассейна от основных промышленных предприятий города Братска представлен на рисунке 3. Наибольший вклад в загрязнение воздушного бассейна города вносят: ОАО «Русал Братск» - 42,4 %, ОАО «Группа «Илим» в Братске - 14,4 %, предприятия теплоэнергетики ОАО «Иркутскэнерго» и ООО «ВСТК» - 23,2 %, от других источников поступает-20,0 %. Наибольшее влияние на устойчивость, состояние древесных растений и загрязнение компонентов урбоэкосистемы Братска оказывают: сернистый ангидрид, окись углерода, окислы азота, пыль, зола угольная, формальдегид, сероводород, диметилсульфид, смолистые вещества, бенз(а)пирен, фтористый водород, и твердые фториды.

20,00%

23,20»/.

42,40%

14,40%

■ ОАО «Русал Братск»

□ ОАО «Группа Плвм» в Братске

■ Предприятия теплоэввргетикя ОАО «Иркутсювярго» в ООО "ВСТК"

V Друше источнвкн

Рисунок 3 - Суммарный вклад основных источников загрязнения атмосферного воздуха Братска

Слабый

уровень загрязнения

Раздел 4.2. Зонирование урбоэкосистемы, подверженной аэротехногенному загрязнению. Для оценки экологического состояния урбоэкосистемы, в зависимости от территориальных особенностей и направления преобладающих ветров, характеристики основных промышленных источников и их выбросов, на основании проведенных исследований предложено зонирование урбоэкосистемы города Братска, подверженной техногенному загрязне^ию_(рис.4)^_

Средний уровень загрязнения

Средний уровень зшрязнения '

Сдеиврим '!.('•"к.иг ниирьг-

Сильный уровень загрязнения

Рисунок 4 - Зонирование территории города Братска по результатам

исследования

Так, зона сильного техногенного загрязнения, протяженностью на север от основных промышленных источников примерно на 27 км, на юго-запад - 30 км, на восток - 17 км; зона среднего техногенного загрязнения, внешняя граница зоны находится на расстоянии от источников загрязнения на север до 40 км, на юг до 30 км, на запад - 40 км, на восток - 40 км; зона слабого техногенного загрязнения, точные границы не устанавливаются, внешняя граница зоны от источников загрязнения находится в радиусе до 70 км.Такое экологическое зонирование важно в аспектах изучения и оценки степени трансформации различных веществ и отдельных компонентов, установлении нагрузки на компоненты и их взаимосвязи, выявлении территории урбоэкосистемы, подлежащей восстановлению и охране.

Раздел 4.3. Экологическое состояние снежного покрова. В соответствии с зонированием городской территории точки отбора проб находились в зеленых зонах жилых районов и в непосредственной близости от промышленных предприятий. Результаты расчета плотностей выпадения загрязняющих веществ использовались для вычисления суммарного показателя загрязнения снежного покрова ^„приведенного в относительных единицах) (Сает, 1990). Расчет 2с снежного покрова выполнен по семи ингредиентам: гидрокарбонат-ионы, сульфат-ионы; ионы натрия; ионы кальция; ионы водорастворимого фтора и алюминия; нерастворимый остаток. На основании полученных результатов построена комплексная карта-схема по уровням загрязнения снежного покрова на селитебной территории города. Общий уровень техногенного загрязнения снежного покрова по суммарному показателю Zc сохраняется на высоком уровне. Загрязнения по суммарному показателю распространяются по направлению преобладающих ветров от основных промышленных предприятий. Зона сильного техногенного загрязнения имеет протяженность более 30 км и не оконтурена с восточного и западного направления. Суммарный показатель загрязнения в пределах этой зоны составляет от 190 до 226. В зоне среднего техногенного загрязнения шириной 3-10 км и протяженностью более 30 км также в северо-восточном направлении, ареал распространения по Zc варьирует от 100 до 165. Зона слабого загрязнения находится севернее основных промышленных предприятий, значения по Zc здесь ниже и составляют от 67 до 95. Построенные на основании экспериментальных данных карты-схемы загрязнения снежного покрова урбоэкосистемы Братска позволили зонировать изучаемую территорию по уровню техногенного загрязнения.

Раздел 4.4. Экологическое состояние почвенного покрова. На основании полученных результатов установлено, что в среднем около 50% площади относятся к категории сильного (опасного) загрязнения почв (Zc 32-128). Почвы со средним (умерено опасным) уровнем загрязнения (Zc 16-32) занимают 24% территории. На 26% территории выявлено допустимое загрязнение почв (Z,. менее 16). Необходимо отметить, что на некоторых пробных площадях наблюдаются значения по Zc более 128, что соответствует чрезвычайно опасному загрязнению почв. В целом опасное и чрезвычайно опасное загрязнение почвенного покрова приурочено к зонам воздействия промышленных предприятий. Почвы с допустимым уровнем загрязнения удалены в северо-восточном направлении от источников загрязнения.

10

Почвенный покров города подвергается существенному переуплотнению корнеобитаемого слоя, плотность почвы варьирует от 1,30 до 1,96 г/см" (в контроле 1,09-1,21 г/см3), это свидетельствует об увеличении антропогенной нагрузки. Для характеристики состояния почвенного питания древесных растений в условиях урбоэкосистемы определялись подвижные формы различных тяжелых металлов. Дополнительно проведено исследование распределения подвижных форм (наиболее опасных для растений) химических элементов в корнеобитаемом слое почв. Закономерность распределения подвижных форм химических веществ свидетельствует об отсутствии геохимических барьеров для этих соединений в почвенном покрове и выражена в показателе техногенности элементов (рис.5).

Химические элементы

ц ^ В 2-3 и >4 ■ Контроль

Рисунок 5 - Показатель техногенности химических элементов в почвенном покрове Братска и в контроле (1, 2-3, >4: балл категории состояния

древесных растений)

Из рисунка 5 видно, что техногенность химических элементов в городе больше, чем в контроле. Показатель Т/по в) позволяет выявить техногенные геохимические аномалии и построить ряды техногенности элементов:

- в Братске:Си>Со>2п>В>РЬ>Мп>С(1>№>А§>Сг>Ва>Ре;

- в контроле: В> Мп> Со> Си> 2п> Сг> РЬ> Сс1> Бо №.

Глава 5 посвящена оценке устойчивости и состояния древесных растений и

включает 9 разделов.

Раздел 5.1. Состояние древесных растений на постоянных пробных площадях. В результате проведенных исследований наименее устойчивыми породами деревьев оказались Ртш и/уелГто и Ъапх хШтса, наиболее устойчивыми -Рори1и$ Ьа1шт1/ега и ВеШ1а риЪеэсет (рис. 6). Прослеживается связь степени ослабления и усыхания древесных растений с их возрастом (рис.7).

|г

к! 1

Снижение устойчивости У'//' // » /// //А --- ...

.......Г - ' ~

5 $—15 15—30 30—35 >35

Расстояние от промышленных предприятий, км

Рисунок 6 - Средний балл категории состояния древесных растений на постоянных пробных площадях от расстояния от источников выбросов 4

ЗО—60 61—90

Возраст, лет

ЕЭ Тополь К Сосна

■ Осина □ Береза пушистая

>90

1 Лиственница 1 Береза повислая

Рисунок 7 - Состояние древесной растительности на постоянных пробных площадях в зависимости от возраста

Из рисунка 7 видно, что с увеличением возраста ухудшается средний балл категории состояния различных пород деревьев, однако у лиственницы сибирской наблюдается некоторое улучшение ее состояния в возрасте более 60 лет, что вызвано отмиранием ослабленных деревьев, которые были удалены в ходе санитарных рубок.

Раздел 5.2. Газопоглотительная и пылеосаждающая способность древесных растений. Исследования газопоглотительной и пылеосаждающей способности древесных растений в санитарно-защитной зоне ОАО «Русал-Братск» проводились на трех временных пробных площадях (здесь и далее ВП), находящихся под влиянием основных промышленных предприятий (табл. 1). На всех ВП вблизи промышленных предприятий Братска древесная растительность характеризуется сходными таксационными показателями (ср.возраст - 66-90 лет, ср.высота - 13,6-17,5м, ср.диаметр -14,2-18,3см) и представлена спелыми насаждениями небольшой полноты, низкого бонитета и среднего балла состояния. Газопоглотительная и пылеосаждающая способность

древесной растительности Братска определялась на ВП у следующих пород деревьев: Pinas silvestris, Larix sibirica, РориЫ balsamara, Populas lavnfoha,

Betula pendula, Betula pubescerá, Populus trémula. ня ВП

Таблица 1 - Средние таксационные показатели древесных растении на ВП

в градиенте загрязнений от промышленных предприятии-

г-* Средние

№ П П

L*

Состав

ЗБЗС2Т1ЛЮс

ЗБЗОс2Т1Л1С

А, лет

66

64

Н, м

13,6

16,0

D, см

14,2

15,0

Класс бонэтета

IV

IV

Полнота

0,3

0,5

Ср. балл

состояния

3,27

3,12

Рельеф

равнина

равнина

ЗС2Б2Л20с1Т

90

17,5

18,3

IV

0,4

2,98

равнина

Примечание:*- здесь и далее расстояние от источников

загрязнения; А - возраст, Н - высота, D - диаметр.

Результаты исследования газопоглотительной способности древесных растений

за вегетационный период представлены в таблице 2. ^ -нп_

Таблица 2 - Реальная и потенциальная поглотительная способность

„пресных растений вблизи промышленных предприятий Братска

Г"^----Потенциальное* ___!-£2£!

Вид растений

Populus balsamifera L.

Populus lavrifolia Ledeb.

Populus trémula L.

Betula pendula Roth.

Betula pubescens Ehrh.

г/кг

0,487

0,461

0,418

0,652

1,405

0,875

г/м

0,056

0,046

0,038

0,071

0,105

Реальное

г/кг

0,412

0.306 0,295

0,334

0,510

0,486

г/м2

0,024

0,020

0,200

0,200

0,039

Pinns sylvestris L.

0362

0.265

Примечание: * - по данным Илькуна Г.М..

Результаты проведенных исследований показали, что наибольшая потенциальная газопоглотительная способность древесных растений наблюдается вблизи БрАЗа у Betula pubescens, Larix sibinca и ^ulapendul^ Показано также, что наибольшая реальная газопоглопгтельная способность

^ыше у Betula pubescens; Larix sibirica. и Populus ^^Таза ~ чем у газопоглотительная способность у березы пушистои в ^ Раза вь ше чем у тополей и сосны обыкновенной, у лиственницы сибирском в 2 раза и березьх гювислой примерно в 1,5 раза соответственно. Кроме этого,

свидетельствуют о том, что газопоглоткгельная способность путем адсорбции ф^а на поверхности хвои и листьев у всех испытанных видов близка по величине и составляет от 0,36 до 0,65 г/кг абсолютно сухого ^ес. Исклюнение составляют хвоя лиственницы, отличающаяся более развитой поверхностью^ листья березы пушистой, формирующие на своей поверхности опушение^то значительно увеличивает адсорбционную поверхность. Результаты "Гния осаждения пыли на хвое и листьях древесных рас-нии по™ что наиболее высокой пылеулавливающей способностью обладают Populus balsadera, Populus lavrifolia, что возможно связано с липкой поверхностью листовой пластинки тополя и с большей устойчивостью данных видов.

Таблица 3 - Потенциальная газопоглотительная способность древесных растений в зависимости от массы листьев на 1 га, кг (фтор) / т абсолютно сухого веса листьев

Вид растения Масса листьев, т

1 2 3 4

Populus balsamifera L, 0,49/13 0,98/26 1,47/39 1,96/52

Populus lavrifolia Ledeb. 0,46/- 0,92/- 1,38/- 1,84/-

Populus tremula L. 0,42/25 0,84/50 1,26/75 1,68/100

Betula pendula Roth. 0,65/35 1,30/70 1,95/105 2,60/140

Betula pubescens Ehrh. 1,40/68 2,80/136 4,20/204 5,60/272

Im rix sibirica Ledeb. 0,88/83 1,76/166 2,64/249 3,52/332

Pinus sylvestris L. 0,36/28 0,72/56 1,08/84 1,44/112

Примечание: в числителе -кг (фтор)/ т (а.с.м. листьев)/га , в знаменателе - количество деревьев содержащих необходимое количество листьев; -: не определялось

Также высокую способность к седиментации пыли показали Populus tremula, Betula pendula и Betula pubescens. Наименьшая пылеосаждающая способность у хвойных пород деревьев (La г ix sibirica, Pinus sylvestris). Таким образом, санитарно-гигиенические функции в зоне действия промышленных предприятий выполняют виды, образующие следующий ряд убывания: Populus balsamifera > Populus lavrifolia > Populus tremula > Betula pendula > Betula pubescens > Larix sibirica > Pinus sylvestris.

Раздел 5.3. Особенности накопления загрязняющих веществ в ассимиляционных органах древесных растений. Избирательность в накоплении химических элементов древесной растительности в Братске (в сравнении с контролем) характеризуют коэффициенты концентрации (Кс) для различных пород (рис. 8). ■ s.oo 4,00

*

¡2

* Нбщ ñlvetbii L.

V Ni Со Cu Ag Хнмпккнт элемемх SLmñxsíbmca X db

■ Popuhis treraulx L.

14,00 12,00 10,00 S.OO 6,00 4,00 2,00 0,00

—; m i

- - X

— _ J 1

-J ,_ J-

_ J i г l" г 1

■ гг 1 1 \ ff ч W II « 1 ■ щ _ щ 1 Ii ] ■Fl Fi 1 ■■■■■■ РЧР1Г1 f и 1 1 и |Г ■ 1 III 1 и II Hill 41 1ПП

B« Ti Mn Cr

V >B Co Cu Ag Хютккм шмсшт

za Fb Sri Mo

в В«1иХа р№с1ии аВ«иир<|ЬошиШш. »¡Рсри^ид Ьа1ьзотО*а

Рисунок 8 - Коэффициенты концентрации в хвое и листьях древесных растений

Как видно из рисунка 8, древесные растения урбоэкосистемы Бра^ка по

=»==лг1==

(КО и ранжировании данных по категории состояния

были оассчитаны суммарные показатели концентрации и деконцентрации. ^дае закономерности вГдовой специфики накопления хи^ческих элемен древесными растениями представлены ^ффициентами биологичесшго накопления (КБН, и КБН2). Анализ полученных данных^ КБН^КИЬ показал, что степень накопления тяжелых металлов дрсвесньши расге— выше чем в контроле. Полученные результаты позволили вьявить биогеохимическую активность (БХА), которая ^^^^за сч^ их способности деревьев к как

Ги—: т ГГан^генГ —-лу—«

видами в биогенной миграции химических элементов являются осина, сосна

™ГГ4ИбСтСрКу^УРа сквозистости древесных растений. Санитарно-гигистические функции'древесной растительности оцен— по таки, критериям состояния отдельных деревьев, как сквозистость кроны дефолиация. Результаты исследований состояния древесных растении пс классам сквозистости представлены на рисунке

Де4юлиадая

Расстояние, км

4- ш ВIV V «Дефолиация

Рисунок 9 - Распределение классов сквозистости крон древесной растительности (доля стволов,%) и дефолиации (в %)

Из рисунка 9 видно, что на долю первых трех классов сквозистости крон приходится наибольшее количество деревьев от общего числа стволов. Следует отметить, что на расстоянии более 20 км от промышленных предприятий происходит уменьшение сквозистости крон: в число преобладающих входит третий класс (41 - 60%). Кроме этого, на значительном протяжении в северовосточном направлении от промышленных предприятий наблюдается наличие деревьев, соответствующих четвертому и пятому классу сквозистости (61 - 80, 81 - 100%), что обусловлено продолжительностью и интенсивностью техногенной нагрузки, что, в свою очередь, приводит к снижению устойчивости древесных растений и, как следствие, к суховершинности или полной дефолиации ассимиляционных органов.

Раздел 5.5. Особенности распределения влаги в прикамбиальном слое древесных растений. Зависимость влажности прикамбиального слоя древесных растений (далее W%) от категории состояния в зоне влияния промышленных предприятий Братска (рис.10) можно описать следующим уравнением:

W = -12,57\В + 87,733, R2 =0,9885, (1)

где W- влажность в прикамбиальном слое на высоте 1,3 м при t=25°C и относительной влажности воздуха 65 %.; В - балл категории состояния.

100,00 »,оо - 80,00 *- 70,00

| во,00 I 50,00 I 40,00

ё зо.оо 20,00 10,00

0,00

1 1 J 4 $ «

Kl reiopu« состой«*, балл —Город ---Контроль

Рисунок 10 - Зависимость влажности прикамбиального слоя древесных растений от категории состояния в городе (зоне влияния промышленных предприятий)и в контроле

Зависимость влажности прикамбиального слоя древесных растений от категории состояния в контроле можно описать следующим уравнением:

W = -12,5630 + 91,187, R2 =0,9927, (2)

где W- влажность в прикамбиальном слое на высоте 1,3 м при t=25°C и относительной влажности воздуха 65 %; В - балл состояния.

Установлено, что влажность прикамбиального слоя является одним из важнейших индикаторов устойчивости древесной растительности, которая изменяется в зависимости от степени ее развития, функционального состояния и удаленности промышленных предприятий.

Раздел 5.6. Особенности распределения показателей состояния древесных растений. Результаты исследований по частоте встречаемости заболеваемости древесных растений представлены в таблице 4 и на рисунке 11. Из рисунка 11 видно, что показатели заболеваемости древесных растений и их интенсивность поражения уменьшаются по мере удаления от промышленных предприятий.

Таблица 4 - Фитосанитарное состояние древесных растений

Расстояние, км

Рисунок 11 - Распределение показателей заболеваемости древесных растений

Наибольший вред древесной растительности наносят раковые, гнилевые и некрозные болезни. Фитосанитарное состояние древесной растительности города оценивается ниже удовлетворительного, более 50% деревьев в той или

17

иной степени повреждены. На основании соотношения числа стволов, пораженных различными болезнями и вредителями, и учета числа деревьев без видимых повреждений был составлен следующий возрастающий ряд устойчивости: сосна о6ыкновенная> лиственница сибирская> береза пушистая> береза повислая> тополь балъзамический> осина. Все отмеченные выше показатели заболеваемости и фитопатологии проявляются в таком комплексном показателе, как сквозистость крон.

Раздел 5.7 Факторы риска угнетения древесных растений урбоэкосистемы. Выявлены основные факторы, влияющие на состояние древесной растительности в условиях урбоэкосистемы (рис.12). В условиях урбоэкосистемы Братска древесные растения находятся одновременно под влиянием комплекса негативных, снижающих их устойчивость факторов.

Рекреационная нагрузка

_sz_

Уплотнение корнеобнтаемого

Атмосферные выпадения, обогащенные _урботехпогенными элементами

Фитопатологии инфекционного и неинфекцнонного происхождения

Древесные растения

Опал, обогащенный урбо техногенными элементами

Накопление урботехногеиных и

энцентрация биофильнмх элементов ассимиляционными органами

Концентрация у рбегех н olc н н ы х элементов

¿"Г"

О_____w

Извлечение корнями растений элементов в корнеобнтаемом слое н на скрытом геохимическом барьере

Концентрация элементов на скрытом сорбцнонном геохимическом барьере

у

Рисунок 12 - Факторы риска, влияющие на экологическое состояние древесных растений урбоэкосистемы

Раздел 5.8. Комплексная оценка экологического состояния древесных растений по интегральному показателю устойчивости. Использование квалимегрических шкал и знание весовых коэффициентов различных параметров урбоэкосистемы позволили выделить сводный показатель устойчивости древесных растений, который вычисляется по следующей формуле:

U = U(u;v) = U(ui,...,um;vl,...,vm) = £и,у„

(3)

где и - нормированные значения показателей; \ - весовые коэффициенты. Величина интегрального показателя устойчивости древесных растений изменяется от 0 до 1. Чем выше значение показателя и, тем хуже экологическое

Карги схсма распределения экологическою состояния дрсвсс раС1М1СШ>ио«ти Ьршска но ннгоральному показателю устойчивости (I))

■Ян*

состояние древесной растительности. На основании показателя и выделены 5 классов устойчивости древесных растений (рис.13).

Оо.юрная карга города Ьршска Масштаб 1:25(ИЮ

Условные обозначения: Щ - Пробная it.inina.ib н номер

Классы устойчивости деревьев:

- HiiiiiMa.ii.iHHu ншченни '-устойчивости

■ - скрытого снижения устойчивости

- среднею снижении

устойчивости сильного и очень сильною снижения устойчивости

- жстрималыюю снижения

устойчивости

Рисунок 13 - Карта-схема распределения древесной растительности Братска по

показателю устойчивости

В среднем для городской территории значения показателя и для класса скрытого снижения устойчивости составляют 0,297, класса среднего снижения устойчивости - 0,548, класса сильного и очень сильного снижения устойчивости - 0,739, класса экстремального снижения устойчивости - 0,925. Класс оптимального значения устойчивости в контроле в среднем составил 0,137. Проведенная многокритериальная оценка на основе комплексного интегрального показателя устойчивости дает возможность использовать полученную информацию о функциональном состоянии исследуемых объектов с целью принятия мер по улучшению экологической обстановки в урбоэкосистеме.

Раздел 5.9. Рекомендации по повышению устойчивости древесных растений и улучшению экологического состояния урбоэкосистемы. В

рамках общих мероприятий и рекомендаций по повышению устойчивости и улучшению экологического состояния древесных растений необходимо проведение следующих мероприятий: 1. Создание многоярусных, разновозрастных и смешанных по породному составу зеленых насаждений на территории жилых районов города. 2. Создание системы защитных насаждений фильтрующего и изолирующего типов на всей территории урбоэкосистемы, вдоль транспортных путей и вокруг промышленных предприятий. 3. Обеспечение чередования открытых и закрытых пространств занимаемых

19

древесной растительностью для рассеивания выбросов и проветривания территории предприятий и всех промышленных зон. 4. Создание городских и пригородных питомников для выращивания местных и интродуцнрованных видов растений, озеленения высококачественным посадочным материалом, организации и реконструкции зеленых насаждений. 5. Подбор для озеленения в условиях урбоэкосистемы ассортимента древесной растительности по декоративности, долговечности, санитарно-гигиеническим параметрам, пыле- и газоустойчивостн. 6. Создание сорбционных геохимических барьеров при подготовке посадочных ям и котлованов для озеленения промышленных предприятий, транспортных путей и селитебных зон. 7. При посадке устойчивых видов древесной растительности на участки с загрязненным почвенным покровом необходимо осуществлять его рекультивацию. 8. Применение комплексной минеральной подкормки, стимуляторов, фиторегуляторов, инсектицидных и других препаратов повышающих устойчивость древесной растительности к условиям урбоэкосистемы Братска. 9. Повышать морозоустойчивость древесных растений путем утепления корневой системы с помощью различных компонентов: торфа, перегноя, навоза, опилок и опавшей листвы.

В заключении по результатам проведенных исследований получены следующие выводы:

1. Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят ОАО «Русал Братск» (42,20%), предприятия теплоэнергетики ОАО «Иркутскэнерго», ООО «ВСТК» (23,20%) и ОАО «Группа Илим» в городе Братске (14,40%). Наибольшее влияние на устойчивость, состояние древесных растений и загрязнение компонентов урбоэкосистемы оказывают: сернистый ангидрид, окись углерода, окислы азота, пыль, зола угольная, формальдегид, сероводород! диметилсульфид, смолистые вещества, бенз(а)пирен, фтористый водород и твердые фториды.

2. Выбросы промышленных предприятий Братска вызывают подщелачивание снега (рН = 6,78-7,94). Ареал загрязнения снежного покрова вытянут по направлению преобладающих ветров от основных промышленных предприятий, и охватывает всю жилую застройку и прилегающие окрестности. Получены карты-схемы пространственного распределения различных веществ в снежном покрове, которые соответствуют уровню техногенного загрязнения промышленными предприятиями. Выделены зоны с различным уровнем техногенного загрязнения. На основе значений плотности выпадения на снежный покров металлов был построен следующий ряд накопления элементов: 7п > Мп >Си > РЬ > Сс1. Установлено, что почвенный покров города подвергается существенному переуплотнению корнеобитаемого слоя, плотность почвы варьирует от 1,30 до 1,96 г/см3 (в контроле 1,09 - 1,21 г/см3), это свидетельствует об увеличении антропогенной нагрузки. Для почв города характерно изменение уровня рН от 5,28 до 8,41. Установлено, что в среднем около 50% площади Братска относятся к категории сильного (опасного) загрязнения почв {7л 32 - 128). По глубине проникновения в почвенные горизонты концентрации подвижных форм тяжелых металлов образуют следующий вариативный ряд: 7п> РЬ> №> Си> Сс1. Это свидетельствует о

20

проникновении тяжелых металлов в корнеобитаемый слой почвы (скрытый геохимический барьер древесных растений). Выявлены ряды техногенное™ элементов: в Братске: Cu> Со> Zn> В> Pb> Mn> Cd> Ni> Ag> Cr> Ba> Fe; в контроле: В> Мп> Со> Cu> Zn> Сг> Pb> Cd> Fe> Ni.

3. Установлено, что средневозрастные древесные растения наиболее устойчивы к аэротехногенному загрязнению, однако степень их угнетения и ослабления определяется удаленностью по направлению преобладающих ветров от промышленных предприятий. Наибольшую устойчивость проявляют лиственные породы (береза пушистая и тополь бальзамический), наименьшую -хвойные породы (сосна обыкновенная и лиственница сибирская). Установлено, что санитарно-гигиенические функции в зоне действия промышленных предприятий выполняют виды, образующие следующий ряд убывания: Populus balsamifera > Populus lavrifolia > Populus trémula > Betula pendula > Betula pubescens > Larix sibirica > Pinus sylvestris. Установлено, что газопоглотительная способность у всех испытанных видов составляет 0,36 -О 65 г/кг абсолютно сухого веса. Количество пыли на хвое и листьях по мере удаления расстояния от промышленных предприятий уменьшается в среднем в 2-4 раза.

4. Установлено, что на территории Братска наиболее интенсивно накапливаются всеми видами деревьев Sn, Mo, Cr, Pb, Ti, V. Высокие концентрации указанных выше элементов наблюдаются даже на расстоянии более 20 км в северо-восточном направлении от промышленных предприятии. Выявлено, что накопление некоторых элементов характерно только для отдельных видов: для березы пушистой V, Ag, березы повислои - Sr и V, лиственницы сибирской Со и Ag, сосны обыкновенной - Zn, тополя - V, М и Zn для осины - Ti, Cu, Cd, Cr и Pb. Выявлено, что городская растительность обеднена биофильными элементами: все виды содержат меньшее количество, чем в контроле Мп, а большинство видов - гак же Ва. Определено, что интенсивность поглощения химических элементов древесными растениями в порядке убывания их величин образует следующий ряд: в Братске: Cd7,2> Вщ> Agí 17> Pu2> Zno96> Cu(i.M> Mnn,39> Pbo.3> Моо.22> Sr0,2> Bafl,13> Sn0,u> N.o,l> COü'ü5> V(„p> Ti0,0i> Cr(:,MJ5; в контроле: B5.27> Ag2,85> Р,,ш> Mn„,83> Zn0J6> Cu0,34> Bao'27> Ni„ 17> Srüil5> Pbü,i> Mo0,,> Sn0.05> Со(Ш> Vü.oü9> Ti0,(,o3> ^одо-Установлено, что коэффициент БХА в среднем в урбоэкосистеме Братска образует следующий убывающий ряд интенсивности накопления химических веществ различными видами древесных растений: береза повислая < тополь бальзамический < береза пушистая < лиственница сибирская < сосна обыкновенная < осина. Наиболее активными видами в биогенной миграции химических элементов являются осина, сосна и лиственница сибирская. _

5 Влажность прикамбиального слоя является одним из важнейших индикаторов устойчивости древесных растений, которая изменяется в зависимости от степени ее развития, функционального состояния и удаленности промышленных предприятий. Максимальное содержание влаги в прикамбиальном слое древесных растений, как на территории города, так и в контроле характерно для деревьев первой (72,40 - 77,60%) и второй (66,70 -69 30%) категории состояния. Наименьшее количество влаги содержится в

21

сухостойных деревьях (5-6 категории состояния - 12,50 - 16,20%). Выявлено, что деревья, произрастающие вблизи промышленных предприятий (на расстоянии до 10 км), содержат меньше влаги, чем находящиеся на более значительном удалении.

6. Наибольший вред древесным растениям Братска наносят раковые, гнилевые и некрозные болезни. Фитосанитарное состояние древесных растений города оценивается ниже удовлетворительного, более 50% деревьев в той или иной степени повреждены. Наиболее распространены раковые заболевания, которые приводят к деформации ствола и ветвей, общему ослаблению и гибели деревьев. К основным возбудителям рака в урбоэкосистеме относятся: Nectria galligena; Cronartium flaccidum; Peridermium pini; Biatorella diffomis; Corynebacterium sp. и другие.

7. Распределение деревьев по классам устойчивости наглядно показывает ухудшение экологического состояния растений, как вблизи промышленных предприятий Братска, так и при удалении от них. Так, на классы среднего, сильного и очень сильного, и экстремального снижения устойчивости деревьев Братска приходится 77%, класс скрытого снижения устойчивости - 23%, оптимальное значение устойчивости наблюдается лишь в контроле. В среднем для городской территории значения показателя устойчивости древесных растений (U) для класса скрытого снижения устойчивости составляют 0,297, класса среднего снижения устойчивости - 0,548, класса сильного и очень сильного снижения устойчивости - 0,739, класса экстремального снижения устойчивости - 0,925. Класс оптимального значения устойчивости в контроле в среднем составил 0,137.

8. Разработаны рекомендации и мероприятия по повышению устойчивости древесных растений и улучшению экологической обстановки в урбоэкосистеме.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в ведущих журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ

1. Рунова Е.М. Некоторые морфометрические особенности хвои Pinus Sylvestris L. в зонах аэротехногенного загрязнения г. Братска / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Вестник КрасГАУ. - 2010. - №10. -С. 106-110.

2. Рунова Е.М. Некоторые особенности накопления загрязняющих веществ древесными насаждениями в урбоэкосистеме г. Братска / Е.М. Рунова, Ю.Н. Алпатов, И.И. Гаврилин // Системы Методы Технологии. - 2011. - №2(10). -С. 144-148.

3. Гаврилин И.И. Некоторые особенности газопоглотительной способности деревьев в урбоэкосистеме г. Братска / И.И. Гаврилин // Вестник КрасГАУ. -2011.-№5.-С. 219-224.

4. Гаврилин И.И. Загрязнение снежного покрова г. Братска как индикатор состояния урбоэкосистемы / И.И. Гаврилин, Е.М. Рунова // Системы Методы Технологии. - 2011. - №3(11). -С. 163-167.

Публикации в периодических изданиях, сборниках и материалах

конференций

1. Гаврилин И.И. Динамика площадей лесов, подверженных промышленными выбросами в зоне действия Братского алюминиевого завода /

22

И И Гаврилин // Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса в рамках концепции 2020: матер. VII научно-техническои конференции. - Екатеринбург: Урал, гос.лесотехн. ун-т,- 2009. Ч.2.- С. 245-/4». 2. Рунова Е.М. Перспективы улучшения ассортимента древесных и кустарниковых растений в промышленной зоне г. Братска / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Актуальные проблемы лесного комплекса / Под. ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 22,- Брянск: БГИТА, 2009.-С. 172-173.

3 Гаврилин И.И. Состояние древесных и кустарниковых растении в урбоэкосисгеме города Братска / И.И. Гаврилин // Леса России в XXI веке: материалы первой международной научно-практическои интернет-конференции. Июль 2009 г. / Под. ред. авторов.- СПб: СПбГЛТА, 2009,- С. 2526

4 Рунова Е.М. Устойчивость различных пород деревьев в г. Братске / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Тезисы докладов международной студенческой научно-практической конференции «Экологические, экономически^ социальные и правовые аспекты устойчивого развития»,- Екатеринбург: ОАО «Полиграфист», 2009,- С. 68-69.

5 Рунова Е.М. Состояние древесно-кустарниковой растительности урбанизированной территории г. Братска / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин И Город. Лес. Отдых. Рекреационной использование лесов на урбанизированных территориях. Научная конференция. Тезисы докладов. Т-во научных издании КМК,- 2009.- С. 58-59.

6 Рунова Е.М. Экологическое состояние древесных растении в урбоэкосистеме города Братска / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Леса Евразии -Польские леса: Материалы IX Международной конференции молодых ученых, посвященной 145- летию со дня рождения профессора И.К. Пачоского.- М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2009.-С. 37-38.

7 Рунова Е.М. Зеленые насаждения в условиях урбоэкосистемы и перспективы озеленения г. Братска / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Актуальные проблемы лесного комплекса / Под. ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-техническои конференции. Выпуск 25.- Брянск: БГИТА, 2010.- С. 153-156.

8. Рунова Е.М. Проблемы состояния древесной растительности в условиях г. Братска подверженных аэротехногенному загрязнению / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Леса Евразии - Подмосковные вечера: Материалы X Международной конференции молодых ученых, посвященной 90- летию со дня основания Московского государственного университета леса и 170-летию со рождения профессора М.К. Турского, М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2010.- С. 280-282.

9 Рунова Е.М. Некоторые особенности устойчивости деревьев к газовым и пылесодержащим выбросам в урбоэкосистеме Братска / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Системы Методы Технологии. - 2010. - №4(8). -С. 174-178.

10 Рунова Е М Функциональное зонирование зеленых насаждений в условиях урбоэкосистемы г. Братска / Е.М. Рунова, ИИ. Гаврилин // Актуальные проблемы лесного комплекса / Под. ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных

трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 26,- Брянск: БГИТА, 2010.- С. 151-154.

11. Рунова Е.М. Некоторые особенности эколого-геохимической оценки состояния урбоэкосистемы г. Братска / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Materialy VII Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencij «Aktualne problemy nowoczesnych nauk - 2011». Vol. 23. - Ekologia. Chemia i chemiczne technologie.: Przemysl. Nauka i studia. - S. 6-11.

12. Рунова Е.М. Зонирование древесных насаждений урбоэкосистемы Братска по уровню загрязнения снежного покрова / Е.М. Рунова, И.И. Гаврилин // Актуальные проблемы мониторинга экосистем антропогенно нарушенных территорий: Сб. материалов Научно-практич. конф. с междунар. участием (г.Ульяновск, 20-23 октября 2011 г.) / отв.ред. Б. П. Чураков. - Ульяновск: УлГУ, 2011.-С. 105-109.

В материалах, обладающих статусом патентного права:

1. Способ разработки лесосек с естественным возобновлением леса: пат. 2409022 Рос. Федерация: МПК A01G23/00 (2006.01) / Рунова Е.М., Сухих А.Н., Багинов А.В., Ведерников И.Б., Гаврилин И.И., Ведерникова Т.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» - К» 2009111166/21; заявл.26.03.09, опубл.20.01.11.

Список сокращений, используемых в автореферате

ИЗА - индекс загрязнения атмосферы;

БрАЗ - Братский алюминиевый завод (ОАО «Русал Братск»);

БЛПК - Братский лесопромышленный комплекс (ОАО Группа «Илим» в г.

Братске);

ПП - постоянные пробные площади;

ВП— временные пробные площади;

Zc - суммарный показатель загрязнения;

Tg(noe) - показатель техногенности элементов;

Кс — коэффициент концентрации;

КБН - коэффициент биологического накопления;

БХА - коэффициент биогеохимической активности;

U - интегральный показатель устойчивости древесных растений;

Подписано в печать 15.05.2012 г. Формат 60x90 1/16. Объем 1,0 п.л. Тираж 150 экз. Заказ 73 Отпечатано в издательстве ФГБОУ ВПО «БрГУ» 665709, Братск, ул. Макаренко 40

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гаврилин, Игорь Игоревич, Ульяновск

61 12-3/972

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БРАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГАВРИЛИН ИГОРЬ ИГОРЕВИЧ

УСТОЙЧИВОСТЬ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УРБОЭКОСИСТЕМАХ

СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ Г.БРАТСКА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 03.02.08. - Экология (Биология) Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Елена Михайловна Рунова

Ульяновск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА...................................................................................9

1.1 Понятие «урбоэкосистема» и ее особенности..............................................................................9

1.2 Особенности состава атмосферного воздуха в урбоэкосистеме............................13

1.3 Зонирование урбоэкосистемы подверженной загрязнению..............................................15

1.4 Снежный покров как индикатор загрязнения урбоэкосистемы............................17

1.5 Почвы урбоэкосистемы как поглотители атмосферных загрязнителей.... 19

1.6 Влияние аэротехногенного загрязнения на состояние растений урбоэкосистемы............................................................................................................................................................................................................23

1.7 Санитарно-гигиеническое значение зеленых насаждений в условиях аэротехногенного загрязнения........................................................................................................................25

1.8 Выводы................................................................................................................................................................................27

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ............................29

2.1 Географическое положение и рельеф территории............................................................29

2.2 Характеристика состава и свойств почв........................................................................................32

2.3 Характеристика климатических условий территории..................................................33

2.4 Характеристика промышленности и выбросов исследуемой территории........................................................................................................................................................................38

2.5 Функциональное зонирование исследуемой территории............................................41

2.6 Состояние древесной растительности на исследуемой территории................42

2.7 Выводы..............................................................................................................................44

3. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................46

3.1 Программа исследований........................................................................................................................46

3.2 Методика и объем исследования....................................................................................................47

4. ОСОБЕННОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ УРБОЭКОСИСТЕМЫ БРАТСКА..............................................................................................................58

4.1 Особенности экологического состояния атмосферного воздуха..........................58

4.2 Зонирование урбоэкосистемы, подверженной аэротехногенному загрязнению....................................................................................................................................................................66

4.3 Экологическое состояние снежного покрова............................................................................68

4.4 Экологическое состояние почвенного покрова......................................................................................79

5. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА

ДРЕВЕСНЫЕ РАСТЕНИЯ УРБОЭКОСИСТЕМЫ БРАТСКА........................................93

5.1 Состояние древесных растений на постоянных пробных площадях..................93

5.2 Газопоглотительная и пылеосаждающая способность древесных растений................................................................................................................................................................................................................................96

5.3 Особенности накопления загрязняющих веществ в ассимиляционных органах древесных растений..............................................................................................................................105

5.4 Структура сквозистости древесных растений в урбоэкосистеме............................115

5.5 Особенности распределения влаги в прикамбиальном слое древесных растений..............................................................................................................................................................................120

5.6 Особенности распределения показателей состояния древесных

растений урбоэкосистемы......................................................................................................................................122

5.7 Факторы риска угнетения древесных растений урбоэкосистемы......................134

5.8 Комплексная оценка экологического состояния древесных растений по интегральному показателю устойчивости..............................................................................................137

5.9 Рекомендации по повышению устойчивости древесных растений и

улучшению экологического состояния урбоэкосистемы......................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................153

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................................................178

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Загрязнение окружающей среды в крупных промышленных городах в настоящее время привело к масштабным изменениям экологических условий и ухудшению качества среды обитания живых организмов [230, 154]. Особенно сильно данные преобразования затронули регионы Сибири [196], где формирование промышленных центров привело к необоснованной концентрации крупных индустриальных комплексов и к осложнению экологической обстановки [183, 100]. Зеленые насаждения являются одним из важнейших факторов, способствующих оздоровлению урбанизированных территорий и поддержанию в них благоприятной экологической обстановки. Однако древесные растения в большинстве случаев не выдерживают существующей техногенной нагрузки, происходит ухудшение их состояния, ослабление и гибель [39]. Особенно актуальным становится изучение устойчивости и жизнеспособности древесных растений в условиях урбоэкосистем северных территорий. В связи с этим необходимы комплексные исследования состояния компонентов окружающей среды (атмосферного воздуха, снежного покрова, почвы) и показателей состояния городских древесных растений.

Цель исследования - оценка экологического состояния и устойчивости древесных растений в урбоэкосистемах северных территорий на примере города Братска, и разработка комплекса мероприятий по улучшению состояния древесной растительности.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

• Выявить особенности содержания и распределения загрязняющих веществ в системе: «атмосфера - снежный покров - почва - древесные растения» для зонирования территории урбоэкосистемы;

• Определить реальную, потенциальную газопоглотительную и пылеосаждающую способность древесных растений в зоне влияния выбросов промышленных предприятий в зависимости от уровня загрязнения;

• Исследовать состояние древесных растений в условиях техногенного загрязнения по содержанию влаги в прикамбиальном слое деревьев, и выявить основные факторы риска угнетения и снижения устойчивости деревьев в условиях урбоэкосистемы;

• Разработать комплексный показатель оценки устойчивости древесных растений с учетом их экологического состояния;

• Разработать мероприятия и рекомендации по улучшению состояния, повышению устойчивости и выбору ассортимента древесных растений.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные экологические исследования древесных растений и других компонентов урбоэкосистемы Братска включающие в себя анализ состояния атмосферного воздуха, снега, почвы и растений. Разработана схема зонирования по уровню техногенного загрязнения и получены карты-схемы экологического состояния ее компонентов - атмосферного воздуха, снежного покрова, почв и древесных растений. Получены закономерности изменения состояния древесных растений, подверженных техногенному воздействию. Выявлены и описаны основные факторы риска угнетения и снижения устойчивости деревьев. Впервые разработан и определен комплексный интегральный показатель устойчивости древесных растений и использован для оценки состояния насаждений г. Братска.

Теоретическая значимость работы. Результаты проведенных исследований дополняют современные представления о состоянии, устойчивости и адаптивных возможностях древесных растений, находящихся под воздействием комплекса экологических факторов. Материалы, изложенные в диссертационной работе, сформулированные в ней научные положения, выводы и рекомендации вносят существенный вклад в развитие теоретических основ оценки и улучшения экологической ситуации в промышленных центрах и урбанизированных северных территориях.

Практическая значимость работы. Разработаны практические рекомендации, включающие в себя комплекс мероприятий по улучшению

состояния зеленых насаждений и выбору ассортимента устойчивых к загрязнению древесных растений, выполняющих санитарно-гигиенические и иные функции. Рекомендации могут служить основой для создания перспективного плана работ по реконструкции, озеленению, оздоровлению, уходу за городской растительностью и почвами, что позволит улучшить экологическую обстановку. Материалы диссертационного исследования использованы при реализации муниципальной целевой программы «Охрана окружающей среды и обеспечение экологической безопасности населения города Братска на период 2007 - 2011 гг., при разработке долгосрочной целевой программы «Охрана окружающей среды и здоровья населения города Братска на 2012 - 2015 гг.». Материалы представлены в комитет промышленной политики и экологии администрации г. Братска и использованы в процессе совершенствования деятельности по обеспечению безопасности и социально - экономическому развитию города. Результаты диссертационного исследования использованы при создании методики определения состояния древесной растительности г. Иркутска, и могут быть использованы при подготовке бакалавров и магистров лесного и экологического профиля.

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнена в ходе научного направления кафедры воспроизводства и пеработки лесных ресурсов «Муниципальный контракт на оказание услуг по мониторингу лесов, подвергающихся антропогенному воздействию выбросов промышленных предприятий», для зеленых насаждений города Братска и его окрестностей. Результаты исследований использованы в рамках заказ-наряда Министерства науки и образования РФ по теме «Особенности устойчивости и биоразнообразия лесных экосистем в условиях длительного техногенеза» № 01201253425 от 10.02.2012 г..

Декларация личного участия автора. Автором определена цель и поставлены задачи, подобраны основные методы исследований. Автор непосредственно участвовал в выполнении экспериментальных

лабораторных исследований, проведении статистического анализа, обсуждения и обобщения данных. Написание текста диссертации, формулирование основных теоретических положений и выводов осуществлено по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в совместных публикациях пропорциональна числу авторов.

Достоверность результатов и обоснованность выводов

обеспечивается применением современных методов, значительным объемом проведенных лабораторных исследований, использованием статистических методов обработки и анализа полученных результатов. Основные положения, выносимые на защиту.

— Распределение загрязняющих веществ в системе: «атмосфера -снежный покров - почва - древесные растения» в условиях г. Братска;

— Оценка экологического состояния древесных растений на основе комплекса факторов в условиях урбоэкосистемы;

— Газопоглотительная и пылеосаждающая способность древесных растений в урбоэкосистеме;

— Распределение влаги в прикамбиальном слое древесных растений;

— Комплексный показатель оценки устойчивости древесных растений в условиях урбоэкосистемы;

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях: «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса в рамках концепции 2020» (Екатеринбург, 2009); «Экологические, экономические, социальные и правовые аспекты устойчивого развития» (Екатеринбург,2009); «Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири» (Братск, 2009, 2010); «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2009); «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск: БГИТА, 2009, 2010 г); «Леса Евразии - Польские леса» (Курник, 2009); «Леса Евразии - Подмосковные вечера» (Мытищи, 2010);

«Aktualne problemy nowoczesnych nauk» (Przemysl, 2011); «Актуальные проблемы мониторинга экосистем антропогенно нарушенных территорий» (Ульяновск, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 научные работы, в том числе 4 в ведущих рецензируемых журналах ВАК РФ. Зарегистрирован 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов, программы и методов исследования, экспериментальной части и выводов общим объёмом 178 страниц компьютерного набора. Работа иллюстрирована 29 таблицами и 48 рисунками. Приложения представлены на 14 страницах и включают 5 таблиц. Список литературы состоит из 232 наименований, в том числе 32 наименования на иностранном языке.

Благодарности. Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю - д.с/х.н., профессору Руновой Елене Михайловне за внимание, поддержку, доброжелательность, настойчивость и ценные советы при выполнении диссертационной работы. Особую глубокую признательность за помощь и плодотворную работу автор выражает сотрудникам кафедры воспроизводства и переработки лесных ресурсов в лице к.с/х.н. Чжан С.А., к.с/х.н. Пузановой O.A., учебному мастеру Новоселовой О.С., и другим, а также всему коллективу кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВПО «БрГУ». Автор благодарит за помощь при проведении анализов в рамках диссертационной работы сотрудников ФГУ «БЦГМС» (подразделение Росгидромета), Братского отдела ФГУ «ЦЛАТИ» и ФГУ ЦАС «Иркутский», всегда оказывающих всевозможное содействие в проведении исследований, а также экологу, аспирантке ИрГТУ Сенченко М.В. за ценные консультации.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА

1.1 Понятие «урбоэкосистема» и ее особенности

В последние десятилетия изучение экологической ситуации в городах (урбоэкосистемах) является одним из приоритетных направлений в исследованиях окружающей среды, большое внимание уделяется также компонентам урбанизированных территорий - атмосферному воздуху, водной среде, почве и растительности.

Основы представлений об урбоэкосистемах были заложены в начале XX века В. П. Семеновым-Тян-Шанским [163]. В своих работах он вполне определенно связывал тип хозяйствования с особенностями организации антропогенного ландшафта. Более полно антропогенные ландшафты были рассмотрены Л. Бауэром, который понимал под ними экосистемы социально-экономических комплексов [20]. В первой половине XX века городской ландшафт рассматривается как геосистема, включающая человека и результаты его деятельности [223].

Российские и зарубежные ученые исследуют современное состояние урбоэкосистем и используют ее компоненты, в частности, при оценке последствий деятельности человека. С точки зрения Д.С. Лихачева, «урбоэкосистема (городская экосистема) - пространственно-ограниченная природно-техногенная система, сложный комплекс взаимосвязанных обменом вещества и энергии автономных живых организмов, абиотических элементов, природных и техногенных, создающих среду жизни человека, отвечающую его биологическим, психологическим, этническим, трудовым и социальным потребностям» [87]. По мнению Н.В. Маслова, «города -сверхоткрытые, поэтому полностью зависят от окружения, в чем и проявился «экологический паразитизм» урбанизированных территорий», а урбоэкосистема рассматривается им, как аккумулирующая, зависимая, не равновесная экосистема с нарушенным естественным экологическим

балансом [90]. О. В. Чернышенко рассматривает город как неустойчивую природно-антропогенную систему, состоящую из архитектурно-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем. На определенном уровне урбанизации территория города теряет системные черты и делается природно-асистемной. Она справедливо отмечает, что структуру городских экосистем определяет наличие зон - городская застройка, пригороды и т.д. [189]. Такой же точки зрения придерживается Т. И. Коновалова [77]. Сходную позицию занимает Ю. Г. Тютюнник [181], под урбоэкосистемами он понимает неустойчивые природно-техногенные системы. В настоящее время в литературе уделяется большое внимание теоретическим основам учения о городских экосистемах [8, 13, 72, 89, 159, 171, 179,