Влияние выбросов Карабашского медеплавильного комбината на биологическую продуктивность сосны обыкновенной

Жанабаева, Асия Сиркбаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Влияние выбросов Карабашского медеплавильного комбината на биологическую продуктивность сосны обыкновенной
ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Влияние выбросов Карабашского медеплавильного комбината на биологическую продуктивность сосны обыкновенной"

005010500

Жанабаева Асия Сиркбаевна

Влияние выбросов Карабашского медеплавильного комбината на биологическую продуктивность сосны обыкновенной

06.03.02 -Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

5 0-5 И'И

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Екатеринбург - 2012

005010500

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Усольцев Владимир Андреевич;

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, доцент Сродных Татьяна Борисовна; кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Терехов Геннадий Григорьевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный, аграрный университет»

Защита состоится 22 февраля 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.01 при Уральском государственном лесотехническом университете по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 36, ауд. 320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного лесотехнического университета.

Автореферат разослан 20 января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук 4

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы Актуальность темы. В связи с возросшей глобальной ролью лесов в плане стабилизации климата оценка их биологической продуктивности и углерододепонирующей способности становится все более актуальной. Вследствие использования ископаемого топлива и недостаточной очистки отходов промышленного производства загрязнение лесных экосистем аэ-ропромвыбросами становится лимитирующим фактором жизнедеятельности растительного покрова. Поскольку загрязнение окружающей среды достигло глобальных масштабов, это должно учитываться при оценке фитомассы и первичной продукции лесов.

На Урале одним из наиболее интенсивных источников токсичных выбросов (главным образом, это соединения серы и тяжелые металлы) в атмосферу является медеплавильное производство, в частности, Карабаш-ский медеплавильный комбинат (КМК) в Челябинской области.

Исследования автора проводились в 2009-2012 гг. в рамках проектов «Разработка системы пространственного анализа депонирования углерода лесными экосистемами Уральского региона» и «Первичная биологическая продуктивность лесных экосистем в градиенте промышленного загрязнения», гранты РФФИ № 07-07-96010 и 09-05-00508.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - оценка фитомассы и чистой первичной продукции (41111) сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК.

В связи с поставленной целью конкретные задачи исследования:

• заложить пробные площади в количестве, обеспечивающем их репрезентативность и достаточном для вычленения антропогенной обусловленности наблюдаемых изменений в градиенте загрязнений, и выполнить на них определения фитомассы и 41111 насаждений;

• установить закономерности изменения продуктивности ассимиляционного аппарата деревьев сосны в градиенте загрязнений;

• установить закономерности изменения фитомассы и ЧПП сосняков в градиенте загрязнений;

• составить таблицы для определения количественных и квалиметриче-ских показателей фитомассы и ЧПП деревьев сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК.

На защиту выносятся следующие положения:

• характеристика биологической продуктивности сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК, выраженная в абсолютных и относительных количественных показателях;

• закономерности изменения плотности и содержания сухого вещества в фитомассе сосны в градиенте загрязнений;

• таблицы для определения количественных показателей фитомассы и ЧПП деревьев и насаждений сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК.

Научная новизна. Впервые дана характеристика продуктивности хвои сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК и построены зависимости биологической продуктивности сосняков от степени удаления от КМК; составлены таблицы для определения количественных и квали-метрических показателей фитомассы и 41 ill деревьев сосны обыкновенной и дан их анализ в градиенте загрязнений от КМК.

Практическая значимость работы. Результаты работы могут быть полезны для эколого-экономической оценки воздействий на окружающую среду, оказываемых медеплавильным производством на Урале, а также при установлении предельно допустимых нагрузок на лесные экосистемы и используются Институтом экологии растений и животных УрО РАН, Институтом глобального климата и экологии Росгидромета и РАН и Уральским экологическим союзом (имеются соответствующие справки).

Обоснованность выводов и предложений. Обширный экспериментальный материал и применение адекватных методов статистического анализа, системный подход при анализе фактических материалов и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне регрессионных моделей, использование современных компьютерных программ определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов.

Личное участие автора. Постановка проблемы, сбор исходного материала, его анализ и обработка, формулировка итоговых результатов осуществлены автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2011); «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2011); «Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири» (Томск, 2011); «Boreal Forests in a Changing World: Challenges and Needs for Actions. 15th IBFRA International Science Conference» (Krasnoyarsk, 2011); «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны» (Сыктывкар, 2011); «Отечественная геоботаника: основные вехи и перспективы» (С-Петербург, 2011); VIII международной научно-технической конференции «Формирование регионального лесного кластера: социально-экономические и экологические проблемы и перспективы лесного комплекса» (Екатеринбург, 2011); VII всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 18 печатных работах, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 118 страницах, состоит из введения, 7 глав и 5 приложений. Список использованной литературы включает 168 наименований, в том числе 39 иностранных. Текст иллюстрирован 40 таблицами и 23 рисунками.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Загрязнение атмосферного воздуха вблизи крупных промышленных центров в течение продолжительного периода времени создает стрессовые условия для роста лесных биогеоценозов. Снижается устойчивость хвойных лесов, уменьшается их доминирование и происходит постепенный переход лесных экосистем к преобладанию отдельных деревьев и кустарников или даже травяных ценозов (Шяпетене, 1987; Бергман, 2011).

Значительное загрязнение окружающей среды происходит за счет газообразных и пылевидных поллютантов. Наиболее мощными источниками аэротехногенного загрязнения являются предприятия черной и цветной металлургии, а также предприятия энергетики (Кулагин, 1974, 1980; Васильева и др., 2000; Проблемы экологии..., 2005; Менщиков, Ившин, 2006; Павлов, 2006). На их долю приходится около 40% валовых выбросов вредных веществ, в том числе по твердым веществам около 26% и по газообразным - около 34% (Проблемы экологии ..., 2005). Вблизи предприятий создается зона постоянного и сравнительно высокого содержания в воздухе различных поллютантов и формируется очаг поражения (Lux, 1965; Кулагин, 1974; Фимушин, 1979; Гудериан, 1979; Будун, 1980; Кулагин, 1980; Neumann, Schieler, 1981; Neumann, Pollanschütz, 1982; Кулагин, Сергейчик, 1982; Скудра, 1983; Athari, Kramer, 1983; Мешковский, 1984; Маковская и др., 1984; Черненькова, 1986; Сродных, 1986; Николаевский, 1987; Барткя-вичюс, 1987; Махнев и др., 1990; Цветков, 1991; Левчук, 1991; Сродных, Менщиков, 1992; Воробейчик и др., 1994; Шавнин, 1994; Воробейчик, Хантемирова, 1994; Харук и др., 1996; Кучеров, Мулдашев, 1996; Фомин, 1998; Лопатин, 1998; Рунова, 1999; Бобкова и др., 1999; Власенко, 1999; Голиков, 2000; Акимова, Хаскин, 2001; Цветков, Цветков, 2003; Кулагин, Шагиева, 2005; Тарханов, Щекалев, 2007; Бачурина, 2008; Валетова, 2009; Низаметдинов, 2009; Завьялов, 2009; Суслов, 2011; Зарубина, 2011).

Возникающие техногенные аномалии вокруг промышленных предприятий представляют собой систему концентрических зон, объединяющих лесные массивы с близкой степенью загрязнения и повреждения и в градиенте которых концентрация загрязняющих веществ убывает от центра к периферии (Фимушин, 1979: Bache, 1979; Рожков, Козак, 1989; Махнев, Любашевский, 1991; Кучеров, Мулдашев, 2003; Бачурина, 2008).

Для 65-летних сосняков, произрастающих^в градиенте загрязнений от завода азотных удобрений в Йонаве (Литва) Й. Сидаравичюсом (1987) опубликованы данные, свидетельствующие о существенном снижении массы хвои у равновеликих деревьев по мере приближения к источнику загрязнений. Противоположные данные приводит И.А. Юсупов (1996) для культур сосны, свидетельствующие о снижении охвоенности кроны равновеликих деревьев по мере удаления от от Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ). Однако в расчете на 1 га насаждений масса хвои на тех же пробных площадях составила соответственно 3,5; 5,0 и 10,2 т/га, т.е.

деградация насаждений происходит не на уровне равновеликих деревьев, а на уровне насаждений в целом, в основном, за счет деградации их морфо-структуры.

В условиях Литвы установлено, что усыхание в поврежденных одновозрастных естественных сосняках в первую очередь проходит за счет наиболее тонких, отстающих в росте деревьев (Барткявичюс, 1987; Юкнис, 1987). Противоположная закономерность установлена в 40-летних культурах сосны, произрастающих в градиенте загрязнений от СУМЗ: с увеличением степени загрязнения повышается доля деревьев низших ступеней толщины (Юсупов и др., 1999).

У многочисленных хвойных установлено увеличение плотности ох-воения побегов в связи с продвижением от фоновых районов к источнику загрязнений (Аугустайтис, 1989, 1992; Ярмишко, 1997; Тарханов, 2011). С другой стороны, известна закономерность снижения охвоенности крон деревьев по мере приближения к источнику загрязнений (Сидаравичюс, 1987; Brassel, Schwyzer, 1992). Вследствие наложения двух противоположных тенденций по мере приближения к источнику загрязнений достаточно четкие закономерности в изменении фитомассы и ЧПП деревьев не всегда подтверждаются (Бергман, 2011).

В.А. Усольцевым (1998) показано, что чем выше доля зоны транзита воды в общей площади заболони, тем выше при прочих равных условиях масса хвои и соответствующая масса продуцируемых ею ассимилятов, основная часть которых депонируется в виде прироста объема ствола или площади сечения. В таком случае изменение прироста ствола при неизменных значениях площади заболони и массы хвои характеризует изменение эффективности «работы» хвои, в том числе вследствие загрязнений.

При исследовании биологической продуктивности лесов большое значение имеют данные о плотности и содержании сухого вещества в фитомассе деревьев, или о квалиметрических показателях (Исаева, 1963; По-лубояринов, 1970, 1974,1976).

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

Леса, подверженные воздействию КМК в северо-восточном (повет-ренном) направлении, находятся в ведении Кыштымского лесничества (Кыштымское и Карабашское участковые лесничества) Челябинской области. По лесорастительному районированию Б.П. Колесникова (Колесников и др., 1973) территория лесничества отнесена к южноуральской провинции горно-таежных и смешанных лесов, а более обширная центральная часть - к провинции предгорных березово-сосновых лесов. В диссертации описаны лесорастительные и климатические условия района, рельеф и почвы, гидрография и гидрологические условия. Приведены основные показатели лесного фонда, описано состояние загрязненных насаждений в окрестностях КМК.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКА И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ

РАБОТ

В направлении розы ветров (северо-восток) подобраны участки насаждений для закладки пробных площадей согласно ОСТ 56-69-83 “Пробные площади лесоустроительные”. Таксационная характеристика 12 заложенных пробных площадей дана в табл. 1.

Таблица 1

Таксационная характеристика древостоев пробных площадей, заложенных в сосняках в градиенте загрязнений от КМК_________________________

км Пород- ный состав Возраст древостоя, лет ' Класс бонитета Средняя высота, м Средний диаметр, см Число стволов, экз./га Площадь сечений, м2/га о са ей и со

4,2 7СЗБ+Ос 80 III 20,6 26,9 392 15,97 179

5,5 9С1Б 80 III 19,9 31,1 422 27,97 323

5,8 10С+Б 80 II 21,2 31,1 504 34,46 485

6,6 8С1БЮс 80 III 19,8 28,4 440 26,33 368

7,3 10С+Б 80 III 20,4 27,6 640 35,74 468

8,3 8С1Б1Лц 80 III 19,5 23,8 560 25,64 275

8,8 7СЗБ 80 III 18,6 27,8 437 24,60 322

9,5 7СЗБ 70 II 18,6 28,4 434 27,23 401

13,3 10С+Б 80 III 20,4 27.6 549 30,64 373

13,8 10С+Б 80 II 20,6 27,7 591 32,48 386

14,5 9С1Б 70 II 19,5 25,3 989 43,69 512

32,0 8С2Б 80 II 20,3 28,5 600 35,00 492

* Ь - здесь и далее расстояние от источника загрязнений.

Для определения фитомассы деревьев и древостоев взяты модельные деревья, систематическую выборку которых формировали в соответствии с рядами распределения деревьев по диаметру. Обработано 42 модельных дерева в возрасте от 30 до 90 лет. Ствол делили на 10 секций, на середине каждой секции и на расстоянии 1,3 м от комля выпиливали диски и определяли диаметры ствола в коре и без коры. По этим замерам рассчитывали объем древесины и коры дерева. У стволов взяты выпилы-диски на относительных высотах 20, 50 и 80% от общей высоты дерева и выполнены у каждого замеры массы с точностью до 0,1 г и объема древесины и коры. Определена плотность каждой фракции в свежем состоянии, а также термовесовым способом - содержание сухого вещества. Всего обработано 126 дисков.

Фитомасса крон и их структурных частей определялась после деления крон на три одинаковые по длине секции. После взвешивания каждой секции кроны с точностью до 50 г производилось деление их на охвоенные и неохвоенные ветви, масса которых взвешивалась с точностью до 50 г. За-

тем из о хвоенной части каждой секции отбиралась навеска (около 0,5 кг) для установления соотношения хвои и скелетных частей.

С этой целью хвоя в навеске отделялась от ветвей и отдельно взвешивалась масса этих компонентов с точностью до 1 г. По установленным соотношениям определяли фитомассу хвои и древесных частей для каждой секции, а затем - для всей кроны. Общее количество взятых навесок хвои и ветвей - соответственно 102 и 102. По полученным значениям рассчитывали абсолютно сухую массу ветвей дерева. Сушка древесины и коры дисков, а также навесок хвои и ветвей производилась до постоянного веса в термостатах при температуре 100-105 С. Фитомасса и ЧПП лиственных пород древесного яруса определены по базе данных В.А. Усольцева (2007). Фитомасса древостоев на 1 га рассчитана регрессионным методом.

Таким образом, в нашем исследовании принят лесотаксационный подход, основанный на «древоизмерении» методами традиционной (Анучин, 1971) и весовой (Поздняков, 1985) таксации, с последующим анализом изменения полученных продукционных показателей деревьев и древостоев по мере удаления от источника загрязнений.

Показатели биопродуктивности подроста и подлеска определены с использованием методики Ботанического института РАН (Методы..., 2002). На каждой пробной площади методом случайной выборки заложены три мини-площадки размером 5*5 м. Диапазон варьирования высот разбивали на три градации по каждому виду и в пределах каждой градации вели перечет по диаметру у основания корневой шейки штангенциркулем с точностью до 0,5 мм. Модельные растения каждого вида (всего 169) взяты на пробных площадях в градиенте загрязнения, по одному растению в каждой ступени толщины. Растения высотой менее 0,5 м фракционировали, взвешивали и сушили при 100-105°С до постоянной массы. У корневой шейки по годичным кольцам определяли возраст, делением на который полученной массы скелетной части растения определена ее первичная продукция. Первичная продукция хвои определена путем деления ее массы на средний (по нескольким мутовкам) возраст хвои.

У растений высотой более 0,5 м секатором отделяли охвоенные побеги, из их общего количества брали навеску массой до 500 г, взвешивали; у нее отделяли хвою и повторно взвешивали. Затем хвою и остальную часть навески сушили раздельно до постоянной массы, снова взвешивали и рассчитывали содержание сухого вещества в обеих фракциях. По их значениям определяли сухую массу фракций всего растения. Аналогично определяли ЧПП скелетной части и хвои. Полученные значения фракционного состава модельных растений каждого вида отдельно соотносили с их суммой площадей сечений и затем по общей сумме площадей сечений, полученной перечетом на каждой из трех мини-площадок, находили значение фитомассы и ЧПП скелетной части и хвои и переводили ее на 1 га.

Мы признательны сотруднице Уральского государственного лесотехнического университета к.с.-х.н. A.B. Бачуриной, любезно предоставившей нам некоторые таксационные материалы и данные о фитомассе живого напочвенного покрова.

ГЛАВА 4 СТРУКТУРА ФИТОМАССЫ И ЧИП ДЕРЕВЬЕВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИИ: АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И СОСТАВЛЕНИЕ ТАКСАЦИОННЫХ ТАБЛИЦ

С целью исключения варьирования биопродуктивности, обусловленного возрастом и ценотическим положением дерева, мы применили метод аллометрических уравнений, в которых в качестве независимых переменных включены таксационные показатели деревьев. Аллометрическое уравнение представляет собой степенную функцию, линеаризованную путем логарифмирования:

1пЛ = ао+ailnA (1)

где р. _ надземная фитомасса фракции дерева в абсолютно сухом состоянии, кг; D - диаметр ствола на высоте груди (см).

В главе 1 отмечались две противоположные тенденции по мере приближения к источнику загрязнений: с одной стороны, увеличение плотности охвоения побегов (Ярмишко, 1997; Тарханов, 2011), а с другой - снижение охвоенности крон деревьев (Сидаравичюс, 1987; Brassel, Schwyzer, 1992). Чтобы выяснить, какая из названных тенденций преобладает на наших объектах, мы проанализировали многофакторную аллометрическую зависимость массы и ЧПП хвои и скелетных частей дерева от его диаметра, высоты и возраста на разных расстояниях от источника загрязнений (км), которые закодировали числовыми значениями так называемой номинальной переменной L (Айвазян и др., 1985), равной соответственно 4, 7, 8, 9, 14 и 32 (см. табл. 1), и ввели ее в многофакторное уравнение связи в качестве еще одной независимой переменной. Высота дерева при прочих равных условиях учитывает условия произрастания, однако в нашем исследовании она оказалась тесно коррелированной с диаметром ствола и статистически незначимой. При расчете моделей для оценки фитомассы и ЧПП деревьев принята структура уравнений:

1пР, = ао + ailnD +аг1пА +аз1п£ ; (2)

InZ, = ао + ailnD +а21пЛ +a3lnZ,, (3)

где Pi и Z, - соответственно фитомасса и ЧПП г'-й фракции дерева (хвои, ветвей и ствола) в абсолютно сухом состоянии, кг; А - возраст дерева, лет; L - номинальная переменная, выражающая степень удаления от КМК, км.

Однако значимость констант при переменной А в обоих уравнениях оказалась статистически не достоверной, и расчет выполнен в соответствии со структурой следующих уравнений:

InPt =ao + a|laD +a2lnl; (4)

\riZi = ао + а^пЛ +а21пЬ. (5)

В уравнениях (4) и (5) константы 3| значимы на 5%-ном уровне, а коэффициенты детерминации Я2 варьируют в диапазоне от 0,856 до 0,979 в (4) и от 0,786 до 0,926 - в (5). Однако константа а2 при переменной Ь статистически значима не на 5-, а лишь на 10%-ном уровне. В градиенте загрязнений на расстоянии от 4 до 32 км от КМК фитомасса и 41111 деревьев сосны увеличивается соответственно на 9 и 11%, при этом происходит перераспределение фитомассы и 41111 между кроной и стволом в пользу последнего (табл. 2). Поскольку названные тенденции имеют низкую степень статистической значимости, для расчетов продукционных показателей деревьев сосны принята упрощенная структура уравнений:

1пР, = ао + а^пД (6)

1пД = а0 + а]1п£) (7)

с коэффициентами 112 от 0,784 до 0,969. На их основе составлена табл. 3.

Таблица 2

Изменение фитомассы и ЧИП деревьев сосны разного диаметра в связи с удалением от КМК (по уравнениям 4 и 5, фрагмент)_________________

и Фрак- ции Диаметр ствола на высоте груди, см

км 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Фитомасса

Хвоя 1,02 2,37 4,32 6,88 10,1 13,9 18,3 23,4 29,2

4 Ветви 1,65 4,38 8,75 15,0 23,2 33,6 46,3 61,5 79,2

Ствол 9,36 28,2 61,5 112,7 184,8 280,9 403,7 514,8 739,8

Итого 12,0 34,9 74,5 134,5 218,1 328,4 468,3 599,8 848,2

Хвоя 0,82 1,92 3,50 5,57 8,15 11,2 14,8 19,0 23,6

30 Ветви 1,35 3,59 7,17 12,3 19,0 27,5 38,0 50,4 64,9

Ствол 10,6 31,8 69,5 127,4 209,0 317,6 456,4 582,1 836,4

Итого 12,8 37,3 80,2 145,2 236,1 356,4 509,2 651,4 925,0

ЧПП

Хвоя 0,174 0,433 0,826 1,36 2,05 2,90 3,92 5,10 6,46

4 Ветви 0,102 0,224 0,393 0,607 0,867 1,17 1,52 1,91 2,35

Ствол 0,143 0,384 0,775 1,33 2,08 3,03 4,20 5,59 7,23

Итого 0,419 1,04 1,99 3,31 5,00 7,10 9,63 12,6 16,0

Хвоя 0,139 0,345 0,658 1,09 1,64 2,31 3,12 4,06 5,15

30 Ветви 0,091 0,200 0,351 0,542 0,774 1,05 1,36 1,71 2,10

Ствол 0,210 0,563 1,14 1,96 3,05 4,44 6,15 8,20 10,6

Итого 0,439 1,11 2,14 3,58 5,46 7,80 10,6 14,0 17,8

Полученный вывод о слабой обусловленности фитомассы деревьев загрязнениями в сосняках, произрастающих на расстояниях от 4 до 30 км от КМК, находятся в противоречии с результатами как Й. Сидаравичюса (1987), так и И.А. Юсупова (1996) (см. главу 1). Возможно, причина резко-

го снижения охвоенности деревьев в Литве состоит в том, что в их диапазоне расстояний был превышен допороговый уровень загрязнений, а в нашем исследовании в диапазоне расстояний от 4 до 30 км насаждения находились на допороговом уровне выбросов.

Таблица 3

Изменение фитомассы деревьев в связи с диаметром ствола в сосняках,

прилета] Фрак- ции ОЩИХ К rJVu4.1.UO уравнениям и и /; Диаметр ствола на высоте груди, см

8 12 16 20 1 24 28 32 36 40

Хвоя Фитомасса

0,819 1,98 3,70 6,02 8,96 12,5 16,8 21,7 27,2

Ветви 1,51 4,00 7,99 13,7 21,2J 30,7 42,4 56,3 72,6

Ствол 9,91 29,8 65,0 119,1 195,3 296,7 426,3 586,8 780,9

Итого 12,2 35,8 76,7 138,8 225,5 340,0 485,4 664,7 880,7

Хвоя чпп

0,157 0,390 0,745 1,23 1,85 2,62 3,54 4,61 5,85

Ветви 0,097 0,213 0,373 0,577 0,824 1,11 1,44 1,82 2,23

Ствол 0,171 0,458 0,922 1,59 2,47 1 3,60 4,97 6,62 8,56

Итого 0,424 1,06 2,04 3,39 5Д5 7,33 10,0 13,1 16,6

Поскольку в литературе предпринимаются попытки обосновать правомерность аллометрической зависимости (1) в качестве «всеобщей» модели (Wirth, 2004), и в то же время имеются противоположные мнения (Freedman, 1984; Lehtonen, Vayred, 2002), нами проанализированы модели (1) для естественных сосняков из разных регионов с целью установления региональных расхождений и возможности использования обобщенных (унифицированных) моделей. Полученные данные о фитомассе деревьев сосны вблизи КМК взяты в качестве исходных. Общее количество модельных деревьев, подвергнутых региональному анализу смещений в показателях фитомассы, составило 840.

Для оценки региональных смещений в величине фитомассы равновеликих деревьев уравнение (1) модифицировано путем включения в него дополнительных переменных — высоты дерева и так называемых фиктивных блоковых переменных (Дрейпер, Смит, 1973), которыми закодирована принадлежность локальных массивов данных о фитомассе деревьев по специальной схеме.

Оказалось (табл. 4), что фитомасса кроны, ствола и вся надземная равновеликих деревьев сосны в «чистых» регионах по отношению к Кара-башу ниже соответственно на 16-40, 5-17 и 8-16%. Это означает, что не установлено статистически достоверного отрицательного влияния загрязнений на средние показатели фитомассы равновеликих деревьев в прилегающих к Карабашу сосновых насаждениях. По-видимому, загрязнения в

первую очередь влияют на морфоструктуру древостоев (Барткявичюс, 1987), а не на фитомассу отдельных деревьев.

Таблица 4

Относительные показатели фитомассы деревьев разных регионов,

Регион Фитомасса фракций, %

Хвоя Ветви Стволы Вся надземная

I 100 100 100 100

II 74 59 92 89

III 69 71 87 84

IV 69 84 95 92

V 82 78 83 82

VI 82 84 92 91

"■Обозначения регионов: I - Карабаш - исходный массив (42); II -Аман-Карагайский бор в Тургайском прогибе (120); III - Ара-Карагайский бор там же (141); IV - Казахский мелкосопочник в Северном Казахстане (97); V - Красноярско-Канская лесостепь (256); VI - Средний Урал (184) (Семечкина, 1978; Усольцев, 1997; Усольцев и др., 2006). Цифрами в скобках обозначено количество модельных деревьев

Таким образом, установленные региональные смещения в величине фитомассы равновеликих деревьев не позволяют использовать обобщенные (унифицированные) аллометрические уравнения для определения фитомассы деревьев в естественных сосняках разных регионов.

ГЛАВА 5. ПРОДУКТИВНОСТЬ АССИМИЛЯЦИОННОГО АППАРАТА СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОТ КМК

Й. Сидаравичюс (1985) при оценке повреждающего воздействия загрязнений на деревья использовал показатель, выраженный отношением объемного прироста ствола к массе хвои (2/Р/). В нашем анализе вместо объемного прироста использован показатель, получаемый непосредственным измерением, - годичный прирост площади сечения (2Я), а также соответствующий показатель продуктивности хвои

В нашем исследовании для корректной оценки продуктивности хвои учтены два определяющих фактора, т.е. площадь сечения заболони ((?*) как характеристика ксилемного транспорта и годичный прирост площади сечения ствола на высоте груди (7.^ как характеристика флоэмного транспорта. Продуктивность хвои оценивается относительными показателями: прямым и косвенным (£/Сгг). Последний представлен отношением

прироста площади сечения ствола к площади его заболони: чем больше годичный прирост ствола при одной и той же площади сечения заболони, тем выше продуктивность хвои.

При анализе изменчивости относительных показателей продуктивности хвои мы исходили из предположения, что они зависят, во-первых, от возраста дерева и, во-вторых, - от степени загрязнений. Поэтому по совокупности взятых 42 модельных деревьев рассчитаны двухфакторные регрессии:

1п(г/Р/) = 4,025 -0,813 Ш +0,175 1п£; Я2 =0,573; (8)

1п(г/£?г) = 1,418 -0,811 Ш +0,1501п£; Я2 =0,511, (9)

где гг - годичный прирост площади сечения ствола на высоте груди (см), средний за последние 5 лет; 2г - площадь сечения заболони ствола (см ); Р/ - масса хвои дерева, кг. Значимость всех констант в (8) и (9) характеризуется значениями критерия Стьюдента в пределах от 2,4 до 5,0, что выше

^табл — 2,0.

Табулирование уравнений (8) и (9) по задаваемым значениям возраста дерева и удаления от источника загрязнений показало (табл. 5), что продуктивность хвои как по прямому, так и по косвенному ее показателю, снижается с возрастом дерева в пределах одной зоны загрязнения, а у деревьев одного и того же возраста - по мере приближения к источнику загрязнений.

Оба показателя г/Ру и 2е/С1 при увеличении возраста дерева с 40 до 120 лет снижаются в 2,4 раза. В градиенте загрязнений при увеличении расстояния от КМК с 4 до 30 км показатель 2^Р/ возрастает на 42, а показатель 2^г - на 35%.

Таблица 5

Изменение продуктивности хвои деревьев сосны обыкновенной разного возраста в связи с удалением от КМК_________________________

и км Продуктивность ХВОИ 2//3/ Ссм2/кг') при возрасте дерева, лет Продуктивность хвои 2/Єг (см2/см2) при возрасте дерева, лет

40 60 80 100 120 40 60 80 100 120

4 3,55 2,55 2,02 1,68 1,45 0,255 0,184 0,145 0,121 0,105

6 3,81 2,74 2,17 1,81 1,56 0,271 0,195 0,154 0,129 0,111

8 4,01 2,88 2,28 1,90 1,64 0,283 0,204 0,161 0,135 0,116

12 4,30 3,09 2,45 2,04 1,76 0,301 0,216 0,171 0,143 0,123

20 4,70 3,38 2,68 2,23 1,92 0,324 0,234 0,185 0,154 0,133

30 5,05 3,63 2,87 2,40 2,07 0,345 0,248 0,196 0,164 0,141

ГЛАВА 6. ФИТОМАССА И ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОТ КМК

Структура фитомассы сосновых насаждений и анализ ее связи с расстоянием от источника загрязнений. Необходимо выяснить, влияет ли использование унифицированных аллометрических уравнений на закономерность изменения биопродуктивности насаждений по мере удаления

от КМК, или необходимо для каждой зоны применять локальные уравнения (1), рассчитанные для зональных пробных площадей?

По исходному массиву фактических данных фитомассы деревьев нами рассчитаны те и другие из упомянутых аллометрических уравнений. На их основе выполнены определения фитомассы древесного яруса по материалам инструментальной таксации древостоев 12 пробных площадей. Результаты нанесены на графики (рис. 1). Для аналитического описания соответствующих зависимостей, полученных по локальным и обобщенным аллометрическим уравнениям фитомассы, принята структура регрессионной модели:

Л = ао+а,(1/1)2, (Ю)_

где P¡ - фитомасса i-ой фракции (хвои, ветвей, стволов и всей надземной, соответственно Pf, Pbn Pst И РаЬо), т/га. Как показано на рис. 1, линии регрессии, рассчитанные для фракционного состава фитомассы, полученного по двум разным типам аллометрических уравнений - локальным и обобщенным - довольно близки, за исключением регрессии для массы хвои.

Для установления достоверности различия между линиями регрессии (10), рассчитанными по двум методам, введена бинарная переменная Т, и структура уравнения (10) модифицирована к виду:

Л = ао+а1(1/Х)2 + а2(7), (11)

где Г- бинарная переменная, характеризующая тип уравнения, по которому рассчитан фракционный состав фитомассы на единице площади; Т здесь и далее принята равной 1 и 0 соответственно для локальных и обобщенных аллометрических уравнений. Статистический анализ показал, что различие между двумя названными линиями регрессии не достоверно, поскольку значимость константы а2, изменяющаяся в пределах от 0,47 до 1,73, существенно ниже табличной, равной 2,0. Поэтому рассчитаны унифицированные регрессии, характеризующие обобщенные тренды изменения фракционного состава фитомассы по мере удаления от КМК, структура которых соответствует (10). Характеристика обобщенных уравнений (10) дана в табл. 6. Коэффициенты детерминации обобщенных уравнений (10) статистически достоверны (критерий Стьюдента t,¡,aKT на 95процентном уровне выше табличного, а именно составил от 2,8 до 3,9, что больше to5=2,0).

Таблица 6

Характеристика обобщенных уравнений (10)

Pi Константы и независимые переменные R2 SE

ао a,(l/¿)z

Pf 7,304 -55,07 0,268 1,67

Pbr 18,777 -107,9 0,409 2,48

Ps, 187,02 -1088,0 0,402 27,6

Pabo 211,65 -1201,9 0,398 30,8

<л'

«в

250

200

150

100

♦ ^ ж ж:

_Ли

•/Г

•-1---------------------------------------------

300

250

200

150

100

■ЖГ-.

Расстояние от источника загрязнения, км

й. по обобщенным и X гго локальным >равнениям

Рис. 1. Связь надземной фитомассы соснового древостоя с расстоянием от КМК по уравнению и ее соотношение с фактическими данными; 1 - кривая, полученная на основе данных обобщенного уравнения; 2 - кривая, полученная на основе данных локальных уравнений; а — хвоя; б — ветви; в — ствол; г — надземная фитомасса.

Структура ЧИП сосновых насаждений и аналнз ее связи с расстоянием от источника загрязнений. Аналогичное сопоставление алло-метрических уравнений выполнено для 41III деревьев. Результаты определения ЧПП древесного яруса на единице площади по локальным и обобщенным аллометрическим уравнениям ЧПП модельных деревьев и инструментальной таксации древостоев 12 пробных площадей в градиенте загрязнений от КМК, приведены на рис. 2, из которых видно, что закономерность изменения фракционного состава ЧПП по мере удаления от КМК аналогична таковой для фитомассы. Для аналитического описания соответствующих зависимостей ЧПП, полученных по локальным и обобщенным аллометрическим уравнениям, принята та же структура регрессионной модели, что и для фитомассы:

£ = ао+а ,(1/1)2, (12)

где г, - ЧПП фитомассы ¿-ой фракции (хвои, ветвей, стволов и всей надземной, соответственно 2/, Zi,„ 7,$ и 2а>0), т/га.

Статистический анализ показал, что различие между двумя названными линиями регрессии не достоверно, поскольку значимость константы а2, изменяющаяся в пределах от 0,37 до 1,21, существенно ниже табличной, равной 2,0. В этой связи мы сочли возможным рассчитать унифицированные регрессии (12), характеризующие обобщенные тренды изменения фракционного состава ЧПП сосняков в градиенте расстояний от КМК. Характеристика обобщенных уравнений (12) дана в табл. 7.

Таблица 7

2, Константы и независимые переменные Значимость константы а) по N критерию Я2 БЕ

ао а,(1/£)'

1,991 -11,40 3,0 0,299 0,33

2Ьг 0,707 -4,26 3,8 0,411 0,10

2,222 -14,15 3,0 0,288 0,46

4,897 -26,31 3,4 0,344 0,76

ЛшШМ ~——- ~г ----- -

ние, что в принятом в нашем исследовании диапазоне расстояний от КМК в пределах от 4 до 30 км фитомасса сосняков определяется не столько структурой фитомассы составляющих деревьев, сколько морфоструктурой древостоев. Дополнительным подтверждением служит зависимость запаса стволовой древесины от степени удаления от КМК, описанная таким же уравнением, как (10) и (12). Как по показателям фитомассы и ЧПП, так и по запасу стволовой древесины на 1 га, закономерность изменения их в градиенте загрязнений одна и та же: резкое увеличение в диапазоне от 4-5 до 12-15 км с последующей стагнацией. Аналогичная закономерность выявлена в прилегающих к востоку от СУМЗ сосняках (Фимушин, 1979; Юсупов и др., 1997) и елово-пихтовых древостоях (Бергман, 2011).

3.0

2.5

2,0

1,5

сз и 1,0

1г-

5 0,5

1 0,0

Гр.

а. с 3,5

1 3,0

& 2,5

,о 2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

|Я Ж

! ж* * г

-Ж-----------------

■ь-

0.0 +—

*------------

Расстояние от источника загрязнения, км

20 30

д. по обобщенный н X по локальным уравнениям

Рис. 2. Связь надземной ЧПП древостоев сосны с расстоянием от КМК по уравнению (6.3) и ее соотношение с фактическими данными; 1- кривая полученная на основе данных, рассчитанных с помощью обобщенного уравнения (см. табл. 6.8); 2 - кривая полученная на основе данных, рассчитанных с помощью локальных уравнений (см. табл. 6.7); а — хвоя; б - ветви; в - ствол; г - общая надземная.

Фитомасса и ЧПП нижнего яруса сосновых насаждений и анализ их связи с расстоянием от источника загрязнений. Рассмотрим закономерности изменения фитомассы и ЧПП нижнего яруса (подрост, подлесок и ЖНП) вблизи КМК, которые определены в том же градиенте загрязнений, что и соответствующие показатели основного яруса. Значения фитомассы и ЧПП нижнего яруса нанесены на графики (рис. 3), из которых виден характер изменения фракционного состава названных показателей по мере удаления от КМК: резкое увеличение фитомассы и ЧПП в диапазоне расстояний от 4-5 до 10-12 с последующей стабилизацией. Эти закономерности описаны уравнениями:

Ри = 1,329-21,777 (1/I)2; Я2= 0,832, БЕ = 0,224; (13)

2и = 0,661 - 9,917 (1 /¿)2; Я2= 0,908, БЕ = 0,072, (14)

где Ри и - соответственно фитомасса и ЧПП нижнего яруса, т/га. Уравнения (13) и (14) статистически достоверны, поскольку значение константы при переменной (1 /I)2 составило в первом случае 4,5 и во втором 6.3, т.е. в обоих случаях больше 1о5 = 2,0. Графическая интерпретация уравнений (13) и (14) дана на рис. 3.

Рис. 3. Связь надземной фитомассы (а) и ЧПП (б) нижнего яруса сосновых насаждений с расстоянием от КМК по уравнениям (13) и (14) и их соотношение с фактическими данными.

Расстояние от источника загрязнения, км

ГЛАВА 7. ПЛОТНОСТЬ И СОДЕРЖАНИЕ СУХОГО ВЕЩЕСТВА В ФИТОМАССЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОТ КМК

Регрессионные модели и таблицы для оценки квалиметрических показателей фитомассы стволов деревьев в градиенте загрязнений от КМК. Квалиметрические характеристики фитомассы сосны в насаждени-

ях, примыкающих к КМК, проанализированы методом многофакторного регрессионного моделирования согласно структуре уравнений:

р и £ = ао +&гО + аз£, (15)

где р - плотность древесины или коры в свежем состоянии, кг/м3; 5 - содержание сухого вещества (ССВ) в фракциях фитомассы, %; /г - относительная высота сечения ствола, в долях от общей высоты дерева; £> - диаметр ствола на высоте груди, см; /. - номинальная переменная, выражающая степень удаления от КМК, км. Характеристика полученных уравнений приведена в табл. 8. Все константы уравнений (15) значимы на 5%-ном уровне и выше.

Таблица 8

Характеристика уравнений (15)_____________________

Зависимая переменная 51, % Константы и независимые переменные уравнений Я2 БЕ

ао а\й а2/г азX

- для древесины 69,89 -0,246 -22,41 -0,0669 0,813 2,85

- для коры 40,03 0,192 15,50 0,308 0,560 4,53

Зависимая переменная р, кг/м3

- для древесины 642,5 ^>,527 192,0 -1,527 0,416 63,1

- для коры 652,9 -4,009 619,7 -4,288 0,528 152,5

Регрессионные модели и таблицы для оценки квалиметрических показателей фитомассы крон деревьев в градиенте загрязнений от

КМК. Поскольку образцы ветвей и хвои брали из трех секций кроны, на которые она была разделена вдоль по стволу, в структуру регрессионной модели (15) для £ (ССВ) вместо переменной А включена переменная II, представленная порядковым номером секции кроны в направлении от ее вершины к основанию. Принятая структура модели имеет вид:

.У = ао +а 1.0 + аг£ + азС/, (16)

а ее характеристика представлена в табл. 9.

Таблица 9

Характеристика уравнений (16) для ССВ в ветвях и хвое сосны

Зависимая переменная Б,% Константы и независимые переменные уравнений Я2 БЕ

ао аі£> а3 г/

- для ветвей 48,46 -0,0937 -0,119 1,109 0,538 1,46

- для хвои 46,48 0,103 -0,109 - 0,339 1,65

Для ССВ хвои переменная U оказалась статистически не значимой (1факт = 0,4 < t05 = 2,0). Уравнения, приведенные в табл. 9, протабулированы по задаваемым значениям независимых переменных, и получены соответствующие таблицы. Средние значения квалиметрических показателей даны в табл. 10.

Таблица 10

Средние значения содержания сухого вещества во фракциях надземной фитомассы (%) и плотности стволовой древесины и коры (кг/м3) сосны

Фракция М ±т ±а Число наблюдений

Содержание сухого вещества

Ствол 52,5 0,605 6,63 120

Кора 54,1 0,705 7,72 120

Ветви 47,0 0,233 2,31 98

Хвоя 47,6 і 0,288 2,85 98

Плотность древесины и ствола

Древесина ствола 762 9,08 99,4 120

Кора ствола 846 23,9 262 120

Примечания: М - среднее значение показателя; ш - ошибка; а - среднеквадратическое отклонение.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что по мере удаления от КМК с 4 до 30 км фитомасса и ЧПП большинства фракций изменяется, но это изменение подтверждено не на 5-, а лишь на 10%-ном уровне: масса хвои и ветвей равновеликих деревьев снижается соответственно на 20 и 18%, а масса стволов возрастает на 13%. ЧПП хвои и ветвей снижается соответственно на 20 и 11%, а ЧПП стволов увеличивается на 47%. По мере удаления от КМК происходит перераспределение фитомассы и ЧПП кроны и ствола в пользу последнего. Вследствие взаимной компенсации двух тенденций вся надземная фитомасса и ЧПП возрастают в названном градиенте по мере удаления от КМК незначительно -соответственно на 9 и 11%. Для ориентировочных расчетов фитомассы и ЧПП сосняков на прилегающих к КМК территориях составлены упрощенные таблицы изменения фракционного состава деревьев в зависимости от диаметра ствола.

2. Региональный анализ аллометрических уравнений показал, что фитомасса кроны, ствола и вся надземная деревьев сосны естественных древостоев в «чистых» регионах южнотаежной, лесостепной и степной подзон по отношению «району Карабаша ниже соответственно на 16-40, 5-17 и 8-16%. Это означает, что не установлено статистически достоверного отрицательного влияния загрязнений на средние показатели фитомассы равновеликих деревьев в прилегающих к КМК лесах. По-видимому, за-

грязнения в первую очередь влияют на морфоструктуру древостоев, а не на фитомассу отдельных деревьев. Установленные региональные смещения в величине фитомассы равновеликих деревьев не позволяют использовать обобщенные (унифицированные) аллометрические уравнения для определения фитомассы деревьев в естественных сосняках разных регионов.

3. Относительные показатели продуктивности хвои, выраженные отношением прироста площади сечения ствола к массе хвои (прямой показатель) и к площади сечения заболони (косвенный показатель), снижаются с возрастом дерева в пределах одной зоны загрязнения, а у деревьев одного и того же возраста - по мере приближения к источнику загрязнений. В пределах одной зоны загрязнения оба показателя при увеличении возраста дерева с 40 до 120 лет снижаются в 2,4 раза, а при увеличении расстояния от КМК с 4 до 30 км относительные показатели продуктивности хвои возрастают на 35-42%.

4. При использовании косвенного показателя продуктивности хвои для количественной оценки ее снижения в градиенте загрязнений не требуется определения фитомассы хвои у модельных деревьев на пробных площадях, а достаточно получить необходимое количество кернов у растущих деревьев, по ним рассчитать дендрометрические показатели, характеризующие ксилемный и флоэмный транспорт дерева, и по соотношению последних дать количественную характеристику снижения продуктивности ассимиляционного аппарата той или иной древесной породы в градиенте промышленных загрязнений.

5. Применение обобщенных аллометрических уравнений (т.е. рассчитанных по всему градиенту загрязнений) для расчета фракционного состава фитомассы и ЧПП на 1 га сосняков не дает статистически значимых смещений по сравнению с результатами расчета на основе локальных (зональных) уравнений.

6. Фитомасса и ЧПП древесного и нижнего (т/га) ярусов в градиенте загрязнений сосновых насаждений по мере удаления от КМК резко увеличивается в диапазоне от 4-5 до 10-12 км, а при дальнейшем удалении стабилизируется.

7. Установлены статистически достоверные изменения содержания сухого вещества и плотности фракций фитомассы по определяющим факторам. В направлении от основания к вершине ствола плотность как его древесины, так и коры, снижается, а содержание сухого вещества в том же направлении в древесине снижается, а в коре возрастает. По мере удаления от КМК содержание сухого вещества и плотность в свежем состоянии как древесины ствола, так и его коры, снижается. Аналогичная закономерность по показателю ССВ хвои и ветвей. При увеличении диаметра ствола плотность древесины и коры уменьшается, а ССВ в древесине снижается, но в коре возрастает; в ветвях же ССВ уменьшается, но в хвое увеличивается.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

По списку ВАК

1. Усольцев В.А., Бергман И.Е., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жана-баева A.C., Воробейник Е.Л., Колтунова А.И.. Изменение продуктивности хвои деревьев в градиенте промышленных загрязнений на Среднем Урале // Известия Оренбургского гос. аграрного ун-та. 2010. № 1(25). С. 40-43.

2. Борников A.B., Жанабаева A.C., Сопига В.А. Дендрометрический подход к оценке .биопродуктивности деревьев под влиянием аэрозагрязнений // Естественные и технические науки. 2011. № 2. С. 123-125.

3. Усольцев В.А., Борников A.B., Жанабаева A.C., Воробейник Е.Л., Колтунова А.И. Продуктивность ассимиляционного аппарата деревьев вблизи медеплавильных заводов Урала // Известия Оренбургского гос. аграрного ун-та. 2011. № 3(31). С. 67-70.

В прочих журналах и тематических сборниках

4. Усольцев В.А., Борников A.B., Жанабаева A.C., Бачурина A.B. Изменение квалиметрических характеристик фитомассы деревьев сосны и березы вблизи Карабашского медеплавильного комбината // Леса России и хоз-во в них. 2010. № 3 (37). С. 30-36.

5. Усольцев В.А., Воробейчик Е.Л., Бергман И.Е., Борников A.B., Жанабаева А.С. Влияние промышленных выбросов на биологическую продуктивность лесных экосистем Урала // Лесная таксация и лесоустройство. Межвуз. науч.-практ. журн. 2011. № 1-2 (45-46). С. 58-69.

6. Усольцев В.А., Воробейчик Е.Л., Борников A.B., ЖанабаеваА.С., Бачурина A.B., Кох Е.В., Мезенцев А.Т., Крудышев В.В., Лазарев И.С. Реакция биопродуктивности насаждений на загрязнения от Карабашского медеплавильного комбината // Леса России и хозяйство в них. 2011. № 3 (40). С. 33-44.

7. Усольцев В .А., Воронов М.П., Часовских В.П., Накай Н.В., Бергман И.Е., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жанабаева A.C. Разработка системы пространственного анализа депонирования углерода лесными экосистемами Уральского региона. Аннотационный отчет по гранту РФФИ «Урал» № 07-07-96010 // Региональный конкурс РФФИ «Урал», Свердловская область. Результаты научных работ, полученные за 2008 г. Екатеринбург: Региональный научно-технический центр, 2009. С. 252-255.

8. Усольцев В.А., Воронов М.П., Часовских В.П., Накай Н.В., Семы-шев М.М., Бергман И.Е., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жанабаева A.C. Разработка системы пространственного анализа депонирования углерода лесными экосистемами Уральского региона // Аннотационный отчет по гранту РФФИ «Урал» № 07-07-96010. Региональный конкурс РФФИ «Урал», Свердловская область. Результаты научных работ, полученные за

2007-2009 гг. Екатеринбург: Региональный научно-технический центр,

2010. С. 233-237.

9. Усольцев В.А., Накай Н.В., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жанабаева А.С., Бергман И.Е. Углерододепонирующая способность лесов: базы данных, методы оценки, география // Генетика, экология, и география дендропопуляций и ценоэкосистем. Екатеринбург: УрО РАН, 2010. С. 80-88.

10. Усольцев В .А., Борников A.B., Жанабаева A.C. Плотность и содержание сухого вещества в фитомассе насаждений вблизи медеплавильных заводов Урала // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2011. Вып. 28. С. 143-147.

11. Усольцев В.А., Борников А.В, Жанабаева A.C., Бачурина A.B. Биологическая продуктивность сосняков и березняков в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного комбината // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2011. Вып. 30. С. 96-99.

12. Усольцев В.А., Борников A.B., Жанабаева A.C., Уразова А.Ф., Бергман И.Е. Фитомасса лесных экосистем Урала по градиентам промышленных загрязнений // Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири. Матер. V международной интернет-конференции. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. С. 185-188.

13. Борников A.B., Жанабаева A.C., Бачурина A.B., Усольцев В.А., Залесов С.В. Биологическая продуктивность березняков и сосняков в градиенте промышленных загрязнений в окрестностях Карабашского медеплавильного комбината // Материалы VII всероссийской научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России». Ч. 2. Екатеринбург: УГЛТУ,

2011. С. 17-19.

14. Бачурина A.B., Борников A.B., Жанабаева A.C., Усольцев В.А. Изменение таксационных показателей насаждений в градиенте промышленных загрязнений в окрестностях Карабашского медеплавильного комбината // Формирование регионального лесного кластера: социальноэкономические и экологические проблемы и перспективы лесного комплекса: Материалы VIII международной конф. Екатеринбург: УГЛТУ, 2011. С. 193-195.

15. Усольцев В.А., Воронов М.П., Кох Е.В., Бергман И.Е., Уразова А.Ф., Борников A.B., Жанабаева A.C., Мезенцев А.Т., Крудышев В.В. Совмещение баз данных лесоинвентаризации и первичной продукции лесов на основе статистических моделей и картирование результатов // Математическое моделирование в экологии. Материалы Второй Национальной конференции с международным участием, 23-27 мая 2011 г. Пущино. ИФХиБПП РАН, 2011. С. 275-277.

16. Usoltsev V.A., Vorobeichik E.L., Bomikov A.V., Zhanabayeva A.S. Biological productivity of forests near the Ural copper smelters // Boreal Forests

■ in a Changing World: Challenges and Needs for Actions. Proceedings of 15th IBFRA International Science Conference. August 15-21 2011. Krasnoyarsk: Sukachev Institute of Forest SB RAS. 2011. P. 193-197.

17. Усольцев B.A., Воронов М.П., Кох E.B., Борников A.B., Жана-баева А.С., Мезенцев А.Т., Крудышев В.В., Лазарев И.С. Неопределенности при оценке углерододепонирующей способности лесов и перспективы их устранения // Материалы Междунар. конфер. «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны». Сыктывкар: Ин-т биологии Коми НЦ УрО РАН, 2011. С. 111-113.

18. Усольцев В.А., Воробейник Е.Л., Борников A.B., Жанабаева А.С., Бачурина А.В. Биологическая продуктивность лесных экосистем Урала в градиентах промышленных загрязнений // Материалы Всероссийской научной конф. с международным участием «Отечественная геоботаника: основные вехи и перспективы. Т. 2: Экология растительных сообществ». С.-Петербург: БИН РАН, 2011. С. 478-481.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с заверенными печатью подписями по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, УГЛТУ, ученому секретарю диссертационного совета Бачуриной А.В. Факс: (343) 254-62-25; e-mail: dissovet.usfeu@mail.ru.

Подписано в печать 22.12.2011. Объем 1,0 п.л. Заказ № 540- Тираж 100. 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37.

Уральский государственный лесотехнический университет. ,

Отдел оперативной полиграфии.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Жанабаева, Асия Сиркбаевна, Екатеринбург

61 12-6/304

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

На правах рукописи

Жанабаева Асия Сиркбаевна

Влияние выбросов Карабашского медеплавильного комбината на биологическую продуктивность сосны

обыкновенной

Специальность 06.03.02 -лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Владимир Андреевич Усольцев

Екатеринбург - 2012

Содержание

Введение. Общая характеристика работы........................................4

Глава 1. Состояние проблемы.......................................................7

1.1. Влияние аэрозагрязнений окружающей среды налесные экосистемы... 7

1.2. О некоторых методах оценки воздействия аэрозагрязнений на лесные

экосистемы................................................................................20

Глава 2. Характеристика района исследования...............................26

2.1. Природные условия Кыштымского лесничества Челябинской области.26

2.2. Характеристика атмосферного загрязнения территории исследований..31

2.3. Характеристика и состояние лесного фонда Кыштымского лесничества.................................................................................35

2.4. Состояние насаждений в окрестностях КМК..................................41

Глава 3. Объекты, методика и объем выполненных работ......................47

Глава 4. Структура фитомассы и ЧПП деревьев сосны обыкновенной в градиенте загрязнений: анализ закономерностей и составление таксационных таблиц.............................................................................53

4.1. Расчет и анализ аллометрических уравнений фитомассы и ЧПП деревьев сосны и составление таксационных таблиц.........................................53

4.2. Исследование возможности использования унифицированных аллометрических уравнений фитомассы деревьев сосны..................................63

Глава 5. Продуктивность ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК.......................................70

5.1. Общие положения....................................................................70

5.2. Регрессионные модели и таблицы для оценки продуктивности хвои деревьев в градиенте загрязнений от КМК............................................71

Глава 6. Фитомасса и первичная продукция естественных сосновых насаждений в градиенте загрязнений от КМК...................................75

6.1. Структура фитомассы сосновых насаждений и анализ ее связи с расстоянием от источника загрязнений................................................75

6.2. Структура ЧПП сосновых насаждений и анализ ее связи с расстоянием от источника загрязнений............................................................82

6.3. Фитомасса и первичная продукция нижнего яруса сосновых насаждений

и анализ их связи с расстоянием от источника загрязнений...................87

Глава 7. Плотность и содержание сухого вещества в фитомассе сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК............................90

7.1. Регрессионные модели и таблицы для оценки квалиметрических показателей фитомассы стволов деревьев в градиенте загрязнений от КМК......90

7.2. Регрессионные модели и таблицы для оценки квалиметрических показателей фитомассы крон деревьев в градиенте загрязнений от КМК..........95

Выводы..................................................................................99

Литература..............................................................................102

Приложение 1 ...........................................................................120

Приложение 2...........................................................................123

Приложение 3 ...........................................................................126

Приложение 4...........................................................................128

Приложение 5...........................................................................130

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с возросшей глобальной ролью лесов в плане стабилизации климата оценка их биологической продуктивности и уг-лерододепонирующей способности становится все более актуальной. Поскольку загрязнение окружающей среды достигло глобальных масштабов, это должно учитываться при оценке фитомассы и первичной продукции лесов. Установлено, что даже незначительное снижение продуктивности насаждений под влиянием загрязнений оказывает существенное влияние на углеродный баланс и углерододепонирующую функцию лесного покрова (Баууа, ВегИгщег, 2010).

Вследствие недостаточной очистки отходов промышленного производства загрязнение лесных экосистем аэропромвыбросами становится лимитирующим фактором жизнедеятельности растительного покрова. На Урале одним из наиболее интенсивных источников токсичных выбросов (главным образом, это соединения серы и тяжелые металлы) в атмосферу является медеплавильное производство, в частности, Карабашский медеплавильный комбинат (КМК) в Челябинской области.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является оценка биопродукционных показателей фитомассы и чистой первичной продукции (ЧПП) сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК.

В связи с поставленной целью конкретные задачи исследования: • заложить пробные площади в количестве, обеспечивающем их репрезентативность и достаточном для вычленения антропогенной обусловленности наблюдаемых изменений в градиенте загрязнений, и выполнить на них определения фитомассы и ЧПП насаждений;

• установить закономерности изменения фитомассы и ЧПП сосняков в градиенте загрязнений;

• составить таблицы для определения количественных и квалиметрических показателей фитомассы и ЧПП деревьев сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК.

На защиту выносятся следующие положения:

Научная новизна. Впервые дана характеристика продуктивности хвои сосны обыкновенной в градиенте загрязнений от КМК и построены зависимости биологической продуктивности сосняков от степени удаления от КМК; составлены таблицы для определения количественных и квалиметрических показателей фитомассы и ЧПП деревьев сосны обыкновенной и дан их анализ в градиенте загрязнений от КМК.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Влияние аэрозагрязнений окружающей среды на лесные экосистемы

Загрязнение атмосферного воздуха вблизи крупных промышленных центров в течение продолжительного периода времени создает стрессовые условия для роста лесных биогеоценозов. По мере того, как условия среды становятся более вредными для растений, снижается устойчивость хвойных лесов, уменьшается их доминирование и происходит постепенный переход лесных экосистем к преобладанию отдельных деревьев и кустарников или даже травяных ценозов. Подобное структурное изменение хвойных лесов прослеживается во многих районах локального загрязнения (Шяпетене, 1987; Бергман, 2011).

Возрастающий уровень загрязнения окружающей среды приводит к негативным изменениям лесных экосистем, к снижению их видового разнообразия и продуктивности. Лесные экосистемы являются наиболее мощным стабилизатором разрушительных процессов в природе и одним из наиболее подходящих объектов контроля, оценки и прогноза влияния антропогенной деятельности на биосферу в целом (Антанайтис, 1983). Основным объектом оценки антропогенных изменений лесных экосистем является древесный ярус. Долговременное загрязнение природной среды промышленными выбросами вызывает изменения таксационных показателей как отдельных деревьев, так и всего древостоя. Производительность древостоев является интегральным показателем, отражающим антропогенное воздействие на лесные экосистемы в целом.

Наиболее мощными источниками аэротехногенного загрязнения являются предприятия черной и цветной металлургии, а также предприятия энергетики (Кулагин, 1974, 1980; Васильева и др., 2000; Проблемы экологии ..., 2005; Менщиков, Ившин, 2006). На их долю приходится около 40% валовых выбросов вредных веществ, в том числе по твердым веществам около 26% и

по газообразным - около 34% (Проблемы экологии ..., 2005). Вблизи предприятий создается зона постоянного и сравнительно высокого содержания в воздухе различных поллютантов (Кулагин, 1974; Будун, 1980; Кулагин, 1980; Маковская и др., 1984; Махнев и др., 1990; Харук и др., 1996; Акимова, Хас-кин, 2001; Цветков, Цветков, 2003). Длительное воздействие поллютантов сказывается не только на продуктивности древостоев, но и на состоянии их репродуктивной системы. Подобные исследования были выполнены в сосняках, подверженных воздействию фтористых соединений вблизи Полевского криолитового завода на Урале (Аникеев, 1996) и в сосняках зеленой зоны вокруг г. Бийска в Алтайском крае (Валетова, 2009).

Вблизи действия локальных источников загрязнения формируется очаг поражения. Очагом поражения лесов аэротехногенными выбросами называют участок лесной растительности вокруг промышленных предприятий, на котором визуальное состояние лесных насаждений отличается от здоровых, имеющих аналогичный возраст и произрастающих в идентичных условиях за пределами техногенного воздействия. Возникающие техногенные аномалии вокруг промышленных предприятий представляют собой систему концентрических зон, объединяющих лесные массивы с близкой степенью загрязнения и повреждения и в градиенте которых концентрация загрязняющих веществ убывает от центра к периферии. Дальность и характер распространения загрязняющих веществ определяется рядом факторов, в числе которых направление и скорость ветра, количество и состояние загрязняющих веществ, высота труб на предприятии, рельеф и облесенность местности (Фимушин, 1979; Bache, 1979; Рожков, Козак, 1989; Махнев, Любашевский, 1991).

Действие аэротехногенных выбросов на лесные насаждения зависит от многих причин: состава выбросов и концентрации их в атмосфере, длительности воздействия, относительной восприимчивости популяций растений или отдельных растений к выбросам, стадии физиологического развития, в которой находится растение или его часть в момент воздействия выбросов (Вог-titz, 1974). Наиболее существенными факторами являются концентрация вы-

бросов и длительность их воздействия (Венчиков, 1962; Альберт, 1971; Фоменко, Стрекалова, 1973; Николаевский, 1979).

В условиях локального загрязнения природной среды пробные древостой отбираются с учетом расстояния и направления от источника загрязнения. При выборочно-перечислительной таксации пробных древостоев, кроме общепринятых измерений, учетные деревья оцениваются по категориям санитарного состояния. Для этого используются правила и шкала, приведенные в инструкции "Санитарные правила в лесах СССР" (1970). Упомянутая шкала предусматривает шесть категорий деревьев по состоянию:

1 - здоровые, без внешних признаков ослабленности деревья;

2- деревья, имеющие признаки ослабленности с укороченной хвоей и ослабленным приростом в высоту, повреждением до 1/3 общего количества хвои, усыхание отдельных ветвей - до 10% всей кроны;

3- сильноослабленные деревья: с ажурной кроной и сильно укороченной хвоей, прирост в высоту сильнозамедлен, усыхание - до 2/3 хвои, до 50% ветвей;

4- усыхающие деревья, с усыханием до 80% ветвей, с повреждением более 2/3 хвои, с признаками отмирания коры, суховершинные;

5- свежий сухостой: деревья, усохшие в текущем году;

6- старый сухостой: деревья, усохшие в прошлые годы.

Средняя категория состояния древостоя устанавливается как средне-взвешанная категория по запасу деревьев отдельных категорий состояния:

км =-

}

где ть ... т5 - запас древесины по категориям деревьев, м3/га; Б], ... - балл

состояния деревьев; М - общий запас древесины, м /га (Алексеев, 1982, 1984; Барткявичюс, 1987).

Леса не только являются индикаторами загрязнения среды, но и выполняют функцию биологической консервации загрязнителей, поглощают газообразные поллютанты из воздуха и вовлекают их в биохимический круго-

ворот (Кулагин, Сергейчик, 1982; Кулагин, Шагиева, 2005). При ослаблении древостоя эта функция леса снижается, а при их гибели сводится к нулю. В атмосфере и почве увеличивается концентрация вредных веществ, что приводит к ухудшению общей экологической обстановки.

Лесная растительность и почва выполняют важную роль в очищении атмосферы от вредных примесей - продуктов деятельности промышленных предприятий, транспорта, энергетики и др. (Гудериан, 1979; Влияние загрязнений ..., 1981). По оценкам экспертов, растительность поглощает из воздуха 48% вредных газов (Николаевский, 1987). Несмотря на ограниченность площади лесов (средняя лесистость суши составляет 30%), на их долю приходится от 60 до 82%) кругооборота вещества и энергии (Кругооборот веществ в природе, 1971; Туренков и др., 1984).

В последнее время выяснилось, что на фоне все возрастающего накопления промышленных выбросов в почве и новых эмиссий в атмосферу наблюдаются синергизмы - усиление эффекта в результате совместного действия повреждающих факторов (Гудериан, 1979; Влияние загрязнений воздуха ..., 1981; Сидорович и др., 1985; Рожков, Козак, 1989). Отмечаются такие факторы, как понижение продукционных процессов, устойчивости лесных сообществ, подверженных промышленным выбросам, потери ими выполняемых ландшафтнозащитных функций и др. (Смит, 1985; Селиховкин, Поповичев, 1985; Павлов, 2006; Зарубина, 2011).

Изменение продуктивности живого напочвенного покрова (ЖНП) в градиенте загрязнений сосняков и березняков от Карабашского медеплавильного комбината изучали Т.В. Черненькова (1986) и A.B. Бачурина (2008), а под влиянием нефтегазодобычи - К.И. Лопатин (1998). Много исследований проведено по оценке состояния сосновых древостоев в зоне действия различных загрязняющих производств (Фимушин, 1979; Скудра, 1983; Мешковский, 1984; Шавнин, 1994; Ярмишко, 1997; Фомин, 1998; Власенко, 1999; Крючков, 2000; Голиков, 2000; Низаметдинов, 2009; Суслов, 2011; Зарубина, 2011).

Изучено также состояние березовых насаждений в зоне действия загрязняющих производств на Урале (Сродных, 1986; Махнев и др., 1990; Лев-чук, 1991; Сродных, Менщ�

Информация о работе

Жанабаева, Асия Сиркбаевна
кандидата сельскохозяйственных наук
Екатеринбург, 2012
ВАК 06.03.02

Диссертация

Влияние выбросов Карабашского медеплавильного комбината на биологическую продуктивность сосны обыкновенной - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы