Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Закономерности распределения зольных элементов в сосновых биогеоценозах сухих и заболоченных боров Марийского лесного Заволжья

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Закономерности распределения зольных элементов в сосновых биогеоценозах сухих и заболоченных боров Марийского лесного Заволжья"

На правах рукописи

Швецов Сергей Михайлович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СОСНОВЫХ БИОГЕОЦЕНОЗАХ СУХИХ И ЗАБОЛОЧЕННЫХ БОРОВ МАРИЙСКОГО ЛЕСНОГО ЗАВОЛЖЬЯ

Специальность 06.03.02 «Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация»

г-

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

005537221

Йошкар-Ола 2013

005537221

Работа выполнена на кафедре экологии, почвоведения и природопользования ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Демаков Юрий Петрович, доктор биологических наук, профессор (Поволжский государственный технологический университет)

Новоселов Сергей Иванович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор (Марийский государственный университет)

Пуряев Айнур Султангалиевич, кандидат биологических наук (Филиал ФБУ ВНИИЛМ «ВосточноЕвропейская ЛОС)

ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет»

Защита состоится « 27 » ноября 2013 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.03 при ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, ауд. 238.

Факс (8362) 41-08-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Автореферат разослан « » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^' /^¿/7, кандидат сельскохозяйственных наук / Д.И. Мухортов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы определяется необходимостью поддержания эколого-ресурсных функций лесных биогеоценозов и состояния их жизнеспособности на максимально возможном уровне, достижимом лишь на основе глубокого познания механизмов их функционирования и, в частности, вскрытия закономерностей протекания в них биологического круговорота химических элементов. Данные по фоновому содержанию элементов в почвах и растениях, а также о границах их вариабельности под действием факторов внешней среды могут быть использованы также при ведении экологического мониторинга.

Несмотря на то что эта проблема давно находится в поле зрения исследователей и многие фундаментальные заключения уже сделаны, пока остаются слабо освещенными региональные особенности протекания биологического круговорота в лесных биогеоценозах, во многом зависящего от условий среды. Недостаточно изученным является также вопрос о влиянии загрязнения окружающей среды на распределение химических элементов в различных компонентах лесных биогеоценозов. Практически не изучены в этом плане сосновые биогеоценозы Марийского Заволжья, и работы, выполненные нами в рамках госзадания ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» по теме «Закономерности распределения химических элементов и загрязняющих веществ в ландшафтах Среднего Поволжья», во многом являются пионерными.

Целью исследований является выявление региональных закономерностей распределения зольных элементов в различных компонентах сосновых биогеоценозов, произрастающих в жестких и диаметрально противоположных по увлажнению лесорастительных условиях (в сухих и заболоченных борах), типичных для Республики Марий Эл, а также оценка их изменений под влиянием загрязнения среды выбросами завода силикатного кирпича.

Для ее реализации были поставлены следующие задачи:

1) обобщить литературные материалы по теме диссертации;

2) провести натурную оценку структурной организации древостоев на пробных площадях в сосняках лишайниково-мшистых и сфагновых;

3) оценить зольный состав различных компонентов ненарушенных сосновых биогеоценозов (почве, подстилке, подпологовой растительности, древостое) и частях деревьев (хвое, коре и древесине), установить степень его вариабельности и средний фоновый уровень в каждом из изученных типов лесорастительных условий;

4) изучить характер воздействия аэральных выбросов завода силикатного кирпича на изменение зольного состава различных компонентов соснового биогеоценоза и частей деревьев сосны;

5) выявить закономерности распределения в сосновых биогеоценозах сухих и заболоченных боров массы зольных элементов и оценить степень потребности в них деревьев.

Методы исследования: натурная оценка состояния древостоев на пробных площадях, химический лабораторный анализ содержания зольных элементов, статистическая обработка полученных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Ранговые ряды и вариабельность содержания зольных элементов в различных компонентах биогеоценозов и частях растений, региональный фоновый уровень для сосновых биогеоценозов в сухих и заболоченных борах Республики Марий Эл.

2. Характер изменения зольного состава различных компонентов соснового биогеоценоза под воздействием выбросов завода силикатного кирпича, выраженный в форме математических моделей.

3. Закономерности распределения в сосновых биогеоценозах массы главнейших зольных элементов и оценка потребности в них деревьев.

Научная новизна работы. Впервые для условий Республики Марий Эл и Среднего Поволжья в целом установлены закономерности распределения содержания зольных элементов в различных компонентах сосновых биогеоценозов сухих и заболоченных боров; оценено воздействие аэральных выбросов завода силикатного кирпича на зольный состав лесной подстилки, почвы, древесины, коры и хвои сосны; дана количественная характеристика биологического поглощения катионов металлов в системе «почва-растение» и определена потребность в них деревьев. Так, к примеру, установлено, что основные запасы зольных элементов содержатся в подстилке и верхнем слое почвы, однако каждый тип леса имеет некоторые особенности: в сосняках лишайниково-мшистых лидером среди зольных элементов является железо, а в сосняках сфагновых - кальций. В сосняках сфагновых железо занимает вторую ранговую позицию и его масса в 8 раз меньше, чем в сосняках лишайниково-мшистых. Значительно меньше в сосняках сфагновых и масса остальных зольных элементов, которые сосредоточены в основном в торфе.

Древостой сосны наиболее остро нуждаются в кальции и калии, запасы которых в песчаных почвах Марийского Заволжья малы. Нужды в остальных зольных элементах древостой не испытывает, поскольку содержание их в почве достаточно велико, а потребление деревьями крайне мало. Вынос древесными растениями большинства минеральных

веществ из почвы невелик и может полностью восполняться за счет атмосферных осадков и аэральных выпадений пыли. Лесная подстилка в сосняках лишайниково-мшистых является мощным геохимическим барьером биологического круговорота веществ.

Практическое значение исследований заключается в установлении регионального фонового уровня содержания катионов металлов в различных компонентах сосновых биогеоценозов в сухих и заболоченных борах, оценке воздействия на него аэральных выбросов завода силикатного кирпича, а также в выделении индикаторов, которые могут быть использованы в системе экологического мониторинга и оценке потребности деревьев в элементах зольного питания. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Лесоведение», «Экология», «Геоэкология», «Мониторинг окружающей среды», а также при разработке системы мероприятий по повышению эколого-ресурсных функций сосновых лесов путем направленного регулирования в них круговорота химических элементов.

Обоснованность выводов и достоверность результатов исследований обеспечивается представительностью и репрезентативностью фактического материала, собранного и обработанного с использованием стандартных методов лесоведения, биогеоценологии, химического анализа и математической статистики.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его программы, сборе, обработке и анализе исходного материала, написании научных статей и текста диссертации, формулировании выводов и основных положений, выносимых на защиту.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на региональных, всероссийских и международных научно-практических конференциях: «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адаптационные технологии» (Йошкар-Ола, 2010), «Лес-2012» (Брянск, 2012), «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Йошкар-Ола, 2012), «Болотные экосистемы: фундаментальные аспекты охраны и рационального природопользования» (Йошкар-Ола, 2012), «Роль и задачи особо охраняемых природных территорий в современной России» (Йошкар-Ола, 2013), а также на ежегодных внутривузов-ских научных конференциях и заседаниях кафедры экологии, почвоведения и природопользования ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет».

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 13 научных работах, четыре из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 198 источников, в том числе 22 публикации иностранных авторов. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, включает 107 таблиц и 40 рисунков.

Благодарности. Диссертант выражает глубокую благодарность зав. кафедрой химии ПГТУ, д-ру биол. наук, проф. Р.И. Винокуровой и инженеру кафедры В.И. Таланцеву, оказавшим большую помощь в освоении методики проведения химического анализа, а также канд. биол. наук М.И. Майшановой, канд. биол. наук М.Г. Сафину, канд. с.-х. наук A.B. Исаеву и канд. биол. наук И. И. Митяковой за содействие в сборе и обработке полевого материала. Особая признательность научному руководителю д-ру биол. наук, проф. Ю.П. Демакову за ценные советы и практическую помощь в написании диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние вопроса

Проведен обзор работ по содержанию зольных элементов в лесных биогеоценозах, круговороту элементов в них и геохимии. Показано, что исследования в этой области учеными были начаты еще в середине прошлого столетия (Смирнова, 1951; Базилевич, 1954, 1955, 1965; Мина, 1955; Ремезов, Быкова, Смирнова, 1955, 1959; Смирнова, Городен-цева, 1958; Манаков, 1961, 1972; Марченко, Карлов, 1962; Бутузова, 1964; Ахромейко, 1965; Родин, Базилевич, 1965; Абатуров, 1966; Варак-сина, Холькин, Баженов, 1967; Пьявченко, 1967; Базилевич, Родин, 1969; 1971; Смольянинов, 1969; Морозова, 1971; Гришина, 1974; Доло-бовская, 1975; Манаков, Никонов, 1981; Смольянинов, Климова, 1978; Вакуров, Полякова, 1982), но они столкнулись со многими трудностями, обусловленными как многокомпонентностью и многообразием биогеоценозов, так и их высокой динамичностью. Сделан вывод о том, что многие фундаментальные вопросы в этой области изучены в настоящее время достаточно хорошо, однако по-прежнему ощущается острый недостаток знаний по региональным их аспектам, во многом определяемым физико-географическими факторами. Очень мало данных по влиянию на биологический круговорот химического загрязнения окружающей среды. Совершенно не изучены в этом плане сосновые биогеоценозы Марийского Заволжья.

2. Природные условия района исследовании, объекты и методика

Дана общая характеристика природных условий Республики Марий Эл, которая расположена на востоке европейской части России в среднем течении р. Волги. По характеру поверхности территория республики разделена на три части: возвышенную холмистую равнину на северо-востоке, песчаную низменность, занимающую значительную часть площади на западе и в центре, и район высокого правобережья Волги на юго-западе.

На территории Марий Эл преобладают дерново-подзолистые почвы, имеющие различный механический состав. В условиях избыточного увлажнения под влиянием лугово-болотной растительности образовались болотные почвы.

Климат республики умеренно континентальный, характеризуется теплым летом, морозной зимой с устойчивым снежным покровом и хорошо выраженными переходными сезонами: весной и осенью.

Территория Марий Эл расположена на стыке лесной и лесостепной зон, и на ее территории выделены три геолого-геоморфологические области, два флористических района и шесть лесорастительных районов. Правобережье, согласно лесорастительному районированию, относится к подзоне широколиственных лесов, а левобережье - к подзоне хвойно-широколиственных лесов. Пространственное распределение лесов крайне неравномерное (от 10 до 80%), средняя лесистость территории составляет 46,6 %. Основную долю лесов составляют средневозрастные сосняки, занимающие 39,8% всей лесопокрытой площади и представленные главным образом брусничными, лишайниковыми и черничными типами леса. Широко распространены также сосняки сфагновые. Значительные площади заняты производными березняками (35,3% площади лесов). На долю ельников приходится около 10,7 %. Незначительные площади заняты липняками, осинниками, ольшаниками и дубравами. Пространственная, породная и возрастная структура лесов, которая довольно разнообразна, сформировалась под влиянием как природных факторов, так и антропогенной деятельности.

Объектами исследования являлись сосновые биогеоценозы в лишай-никово-мшистом и сфагновом типах леса, расположенные на территории Старожильского, Визимьярского, Куярского и Силикатного лесничеств Республики Марий Эл, а также Государственного природного заповедника «Большая Кокшага» и Национального парка «Марий Чодра». Выбор объектов не был случайным, а определялся поставленной целью: оценить характер накопления зольных элементов в различных компонентах биогеоценозов, произрастающих в экстремальных и диаметраль-

но противоположных лесорастительных условиях. Сбор полевого материала проведен в период с 2009 по 2012 год на 24 пробных площадях, большая часть из которых является постоянными и комплексными.

На каждой пробной площади проведена оценка древостоя и подпо-логовой растительности, а также отобраны пробы для определения зольного состава лесной подстилки, почвы, торфа, основных представителей подпологовой растительности, хвои, коры и древесины деревьев. Образцы почвы и торфа для проведения химического анализа брали в почвенных разрезах послойно через каждые 10 см, а образцы древесины - со спилов разных деревьев, сделанных как на уровне пня, так и в пределах всего ствола с шагом 1 м. Образцы древесины, представленные не только спилами, но и кернами, разделяли, кроме того, на слои по 20-летиям. Образцы хвои брали с побегов верхней части кроны, укладывали в полиэтиленовые мешки и этикетировали.

Образцы подстилки брали на каждой пробной площади в четырех равномерно расположенных точках на площадках размером 25x25 см. Сразу же после возвращения из леса или же на следующий день проводили взвешивание образцов на электронных весах с погрешностью ±1 мг (исходная масса образцов изменялась от 9 до 30 г). В общей сложности для химического анализа было собрано 608 образцов, в том числе: почвы и торфа - 98, лесной подстилки - 48, подпологовой растительности - 72, сосновой хвои - 127, коры - 29, древесины - 224, хлопчатобумажной ткани - 10.

После проведения необходимых измерений все образцы высушивали до абсолютно сухого состояния при температуре 110°С, измельчали и сжигали в муфельной печи при температуре 450°С. Содержание элементов в золе определяли на атомно-абсорбционном спектрометре AAnalyst 400 в трехкратной повторности. Подготовку образцов к анализу и сам анализ проведены лично автором в химической лаборатории ПГТУ по типовым методикам. Содержание зольных элементов в образце было вычислено по формуле

Сэ = (СР x-Vp х-М3) / (Мн х-Мс), где Сэ - содержание элемента в сухом образце, мг/кг; СР - концентрация элемента в растворе, мг/л; VP - объем раствора, в котором была растворена зола, мл; М3 - масса золы, г; Мн - масса навески, г; Мс - масса высушенного образца, г.

Цифровой материал обработан на компьютере с использованием стандартных программ и методов математической статистики (Лакин, 1980; Афифи, Эйзен, 1982; Факторный ..., 1989), позволивших провести корреляционный, регрессионный и кластерный анализ.

3. Содержание зольных элементов в почвах сосновых биогеоценозов

В напочвенном покрове (лесной подстилке) сосняков лишайниково-мшистых больше всего содержится Са, за которым с большим отставанием следуют Бе, К и Мп (табл. 1). Замыкают ранговый ряд зольных элементов Бг и Со. Содержание в напочвенном покрове зольных элементов изменяется в пределах биогеоценозов в довольно больших пределах, что связано с различиями его фракционного и флористического состава, а также с деятельностью грибов и беспозвоночных. Общее содержание всех зольных элементов в напочвенном покрове обратно пропорционально его массе, причиной чего является присутствие в нем песчинок, выбиваемых каплями дождя из почвы.

Таблица 1 - Статистические показатели относительного содержания органики и зольных элементов в образцах напочвенного покрова сосняков лишайниково-мшистых

Элемент Значения статистических показателей

М, т* ШІП тах 5, V Р

Органика 75,2 1,76 56,6 89,8 8,1 10,7 2,3

Са 8831,9 696,6 2907,0 15837,0 3192,4 36,1 7,9

Ре 2679,9 179,6 1161,0 4389,0 823,1 30,7 6,7

К 2094,3 196,1 948,6 4248,0 898,6 42,9 9,4

Мп 1284,3 153,0 255,5 2800,0 701,3 54,6 11,9

гп 141,9 13,0 64,4 351,3 59,6 42,0 9,2

РЪ 25,33 1,38 10,12 41,44 6,34 25,0 5,5

Си 15,38 1,01 6,65 27,53 4,65 30,2 6,6

№ 12,02 1,15 4,54 28,20 5,25 43,7 9,5

Сг 9,33 3,12 0,55 68,41 14,28 153,2 33,4

Бг 6,38 0,47 3,03 10,36 2,13 33,4 7,3

Со 3,22 0,22 1,42 5,40 0,99 30,6 6,7

Примечание. Содержание органики выражено в %, а зольных элементов - в мг/кг абсолютно сухой массы напочвенного покрова.

Было установлено, что лесная подстилка в сосняках лишайниково-мшистых является мощным геохимическим барьером биологического круговорота веществ. Для вовлечения в круговорот многих задепониро-ванных подстилкой зольных элементов ее необходимо периодически (через 20-30 лет) выжигать, проводя управляемые палы, которые дополнительно позволят снизить в этих наиболее горимых типах леса пожарную опасность.

В верхнем слое почвы сосняков лишайниково-мшистых больше всего содержится железа, за которым следуют К и Мп (табл. 2). Замыкают

ранговый ряд зольных элементов № и Со. Коэффициент вариации содержания многих зольных элементов изменяется в почве гораздо больше, чем в напочвенном покрове. Особенно велика изменчивость содержания в образцах почвы Мп и Са.

Таблица 2 - Статистические показатели относительного содержания органики и зольных элементов в верхних слоях почвы сосняков лишайниково-мшистых

Элемент Значения статистических показателей

М, ш, ШІП шах V Р

Слой почвы 0-10 см

Органика 3,10 0,26 1,57 6,08 1,15 37,1 8,5

Ре 696,6 111,8 195,8 1678,0 499,9 71,8 16,0

К 132,1 12,7 62,7 238,0 56,7 42,9 9,6

Мп 35,5 12,3 2,8 170,9 55,0 154,7 34,6

Са 5,06 1,11 0,01 15,47 4,98 98,4 22,0

гп 4,88 0,51 2,88 10,62 2,30 47,2 10,6

РЬ 1,777 0,122 1,064 2,752 0,546 30,8 6,9

Си 0,989 0,074 0,494 1,817 0,330 33,4 7,5

№ 0,690 0,090 0,205 1,543 0,404 58,6 13,1

Со 0,458 0,043 0,193 0,872 0,194 42,3 9,5

Слой почвы 10-20 см

Органика 1,52 0,34 0,10 6,05 1,50 99,0 22,1

Ре 811,8 127,8 128,2 1933,0 571,6 70,4 15,7

К 137,1 16,4 35,8 314,5 73,3 53,5 12,0

Мп 34,7 12,2 1,3 220,8 54,6 157,4 35,2

Са 3,29 0,98 0,12 18,17 4,39 133,6 29,9

гп 4,80 0,73 1,45 11,18 3,25 67,6 15,1

РЬ 1,525 0,277 0,533 6,356 1,238 81,2 18,1

Си 1,248 0,357 0,381 7,807 1,597 127,9 28,6

ІМІ 0,864 0,174 0,086 2,329 0,779 90,2 20,2

Со 0,528 0,057 0,172 1,054 0,256 48,4 10,8

Примечание. Содержание органики выражено в %, а зольных элементов - в мг/кг абсолютно сухой массы почвы.

Длительное воздействие выбросов завода силикатного кирпича привело к существенному изменению зольного состава лесной подстилки и верхнего слоя почвы, многократно увеличивая в них, по сравнению с фоном, содержание Са и Бг, а также Сг и Со (табл. 3 и 4). В слоях почвы глубже 20 см концентрация элементов находится на уровне фонового участка. Содержание всех зольных элементов в верхних горизонтах почвы закономерно изменяется по градиенту загрязнения (табл. 5).

Таблица 3 - Содержание зольных элементов в лесной подстилке соснового биогеоценоза, загрязненного выбросами завода силикатного кирпича

Элемент Содержание элементов на разном удалении от завода, мг/кг

80 м 110 м 190 м 280 м 340 м 390 м 1500 м - фон

Са 51423,8 60291,9 48991,4 34180,2 31131,8 27461,9 3220,4

Ие 768,9 677,6 807,2 790,1 784,1 848,4 839,1

К 154,8 169,0 198,1 172,7 191,2 233,1 406,3

Мп 44,1 39,6 58,3 111,2 120,3 219,9 406,6

Бг 11,1 11,3 8,83 5,71 5,63 5,10 1,76

Сг 9,54 5,64 0,52 0,00 0,00 0,00 0,00

гп 7,57 9,28 10,43 10,54 11,1 15,26 24,3

РЪ 3,99 4,33 3,77 3,18 3,4 3,96 5,28

Си 2,38 2,57 2,34 2,09 2,13 2,58 2,64

Со 2,22 2,26 1,63 1,46 1,39 1,33 0,86

N1 1,00 0,83 1,22 1,36 0,80 1,39 1,71

са 0,67 0,66 0,57 0,45 0,44 0,48 0,47

Таблица 4 - Содержание зольных элементов в почве зоны максимального загрязнения по отношению к фоновому участку

Элемент Содержание элементов на различной глубине, относительные единицы

0-5 см 20-25 см 40-45 см 60-65 см 80-85 см 95-100 см

Са 341,4 0,15 2,53 0,94 1,21 1,12

Ре 5,56 0,42 0,92 1,20 0,78 0,70

К 12,3 1,09 1,84 2,03 0,87 0,89

Мп 1,58 0,44 0,41 0,70 0,35 0,32

гп 10,2 0,26 1,30 0,37 0,51 0,24

РЬ 11,9 0,98 1,77 1,47 1,13 1,14

Со 13,2 0,72 1,25 1,43 0,87 0,72

№ 13,7 0,51 0,79 2,50 1,91 0,45

Си 23,8 0,59 1,19 1,68 1,06 1,91

са 13,7 1,11 1,00 1,00 1,08 1,08

Таблица 5 - Зависимости изменения содержания зольных элементов в верхнем 5-сантиметровом слое почве по градиенту известкового загрязнения

Элемент Уравнение зависимости параметра от расстояния до источника загрязнения

Са У = 172445,0-ехр[- 5,05(Х - 0,08)] 0,955

Ее У = 3485,69' ехр[- 1,16- (X - 0,08)] 0,931

са У = 1,30- ехр[- 6,20- (X - 0,08)] + 0,13 0,981

К У = 341,50-ехр[- 3,03(Х - 0,08)] + 22,98 0,990

Со У = 3,96- ехр[- 5,45- (X - 0,08)] + 0,34 0,978

Мп У = 100-Х/(1,64-Х2- 0,36-Х +0,26) 0,709

Окончание табл. 5

Элемент Уравнение зависимости параметра от расстояния до источника загрязнения Я2

Си У = 5,07-ехр[- 3,97-(Х - 0,08)] + 0,13 0,928

№ У = 3,61-ехр[- 1,51(Х - 0,08)] 0,754

РЬ У = 9,03-ехр[- 3,87-(Х -0,08)] + 0,88 0,964

Бг У = 26,55- ехр[- 6,09- (X - 0,08)] 0,981

Сг У = 32,73-ехр[- 5,78-(Х - 0,08)] 0,980

гп У = 16,22-ехр[- 2,01-(Х - 0,08)] + 0,89 0,957

Средняя зольность торфа верховых болот Марийского Полесья составляет 3,76 % (табл. 6). Более всего содержится в нем Ре, за которым следуют Mg, Са и К. На порядок меньше содержание Мп, РЪ, Си, Сг, N1 и Бг. Замыкают ранговый ряд Со и Сё.

Таблица 6 - Параметры изменчивости содержания золы и зольных элементов в торфе верховых болот Марийского Полесья

Элемент Параметры изменчивости содержания элементов

Мх ШІП шах Бх тх р,%

Зола 3,76 1,11 15,11 2,83 0,38 75,5 10,1

Ре 746,5 231,8 2713,2 493,3 65,9 66,1 8,8

486,9 101,7 890,1 294,9 61,5 60,6 12,6

Са 360,4 34,9 1503,3 295,5 39,5 82,0 11,0

К 128,7 23,7 725,0 116,6 15,6 90,6 12,1

Мп 5,35 1,27 28,90 5,64 0,75 105,4 14,1

2п 4,68 1,62 13,43 2,68 0,36 57,3 7,7

РЬ 4,06 0,53 30,07 5,38 0,72 132,6 17,7

Си 2,64 0,76 8,14 1,35 0,18 51,1 6,8

Сг 2,42 0,24 4,09 1,20 0,21 49,4 8,6

N1 1,36 0,46 3,65 0,66 0,09 48,2 6,4

Бг 1,30 0,50 2,80 0,51 0,09 39,1 6,8

Со 0,39 0,13 0,82 0,16 0,02 40,7 5,4

са 0,15 0,03 1,03 0,14 0,02 95,0 12,7

Примечание. Содержание золы выражено в %, а содержание остальных элементов -в мг/кг абсолютно сухой массы торфа.

Содержание золы и зольных элементов в торфе довольно сильно варьирует не только между биотопами, но и по глубине его залегания, что связано с особенностями генезиса болот и протекания в них сукцесси-онных процессов. Концентрация в нем многих элементов наиболее высока в верхних слоях и четко убывает с глубиной (см. рисунок), хотя характер снижения значений в различных биотопах неодинаков.

400 -I

г; 350 -

| 300 -

& 250 -

200 ■

о

X

та

150 -

о о.

| 100 ■

а.

о

х 50 ■

0

15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 1 15 125 135 145

Глубина, см

Характер изменения содержания зольных элементов в торфе, относящихся к разным кластерам, на верховом болоте «Илюшкино»

Изменения содержания элементов с глубиной происходят не плавно и монотонно, а сопровождаются определенными скачками значений в некоторых слоях, что связано с действием различных факторов. Прослойки с пониженным или повышенным содержанием элементов отмечаются в разных биотопах на различной глубине, что приводит к выводу о связи их в большей степени не с внешними, а с биоценотическими факторами.

4. Содержание зольных элементов в подпологовой

растительности сосновых биогеоценозов

Все компоненты подпологовой растительности сосновых биогеоценозов в сухих и заболоченных борах Марийского Заволжья очень избирательно поглощают химические элементы из окружающей среды и существенно различаются между собой по содержанию зольных элементов (табл. 7). Мхи, по сравнению с кустарничками, содержат во всех биогеоценозах гораздо больше Бе, РЬ и №, т.е. являются их мощными накопителями. В тканях же лишайников гораздо меньше, чем в других растениях, Са, К, Ъп, Си и №. Болотные кустарнички, по сравнению со сфагнумом, обладают более высокой избирательностью к потреблению зольных элементов из окружающей среды (табл. 8).

Таблица 7 - Содержание золы и зольных элементов в различных компонентах живого напочвенного покрова сосняков лишайниково-мшистых

Элемент Содержание элементов в растениях и их органах

лишайник мох ракитник толокнянка

листья стебли листья стебли

Зола 1,83 4,82 6,23 1,68 2,64 2,65

Са 939,9 2583,6 12836,2 1877,1 7366,9 7303,8

К 1124,3 2992,4 6685,7 2754,8 2917,2 2578,0

Мп 110,6 581,7 682,4 94,9 13,4 40,2

Ре 258,1 473,6 52,0 32,7 27,5 84,1

гп 13,86 29,93 45,25 19,55 20,04 80,30

Си 1,94 5,75 9,34 7,26 2,66 3,89

Сг 0,870 1,149 1,667 0,709 0,714 0,935

Со 0,773 1,527 1,144 0,834 0,897 0,263

РЬ 0,317 0,459 1,758 0,866 0,989 0,136

№ 0,112 1,159 0,226 0,910 0,134 0,377

са 0,164 0,395 0,315 0,134 0,112 0,143

Примечание Содержание золы выражено в %, а зольных элементов - в мг/кг абсолютно сухой массы образца.

Таблица 8 - Содержание золы и зольных элементов в листьях и стеблях кустарничков на верховых болотах Марийского Полесья

Элемент Содержание элементов в растениях и их органах

мирт болотный багульник брусника черника, стебли

листья стебли листья стебли листья стебли

Зола 3,04 1,18 3,00 1,99 3,40 2,62 3,62

Са 10876,4 1904,4 8739,6 8519,1 14211,0 12365,9 13394,4

К 3105,2 1929,6 3161,2 1917,1 3236,1 2411,9 3727,3

Мп 777,3 584,6 823,8 867,7 940,0 754,9 905,9

Ре 36,7 36,9 58,3 30,7 31,3 56,7 16,3

Хп 21,6 20,1 24,6 17,5 21,1 30,8 22,8

Бг 7,95 1,76 6,45 5,36 8,86 7,22 9,01

Сг 6,04 1,27 4,22 2,11 6,15 1,78 1,35

Си 4,37 4,80 4,21 3,74 5,11 8,52 4,93

РЬ 0,762 0,198 0,286 0,100 0,739 0,428 0,444

N1 0,330 0,551 0,351 0,363 0,889 0,557 0,040

Со 0,459 0,171 0,506 0,273 0,553 0,375 0,412

са 0,420 0,275 0,326 0,173 0,532 0,628 0,250

5. Накопление зольных элементов древостоем

Все органы деревьев сосны (хвоя, древесина, кора) имеют свой сугубо специфичный зольный состав, который существенно отличается от зольного состава других компонентов биогеоценозов (табл. 9). Более всего содержится в органах деревьев Са, за которым следуют К и На порядок меньше содержится в тканях органов деревьев сосны Мп, Ъл и Ре. Замыкают ранговый ряд Со и Сс1.

Таблица 9 - Содержание золы и зольных элементов в различных органах деревьев сосны

Элемент Содержание элементов в различных органах

хвоя разного возраста стволовая древесина кора

однолетняя двухлетняя трехлетняя

Зола 2,14 2,36 2,44 0,35 2,24

Са 2908,0 4663,8 5954,7 1196,0 9581,3

К 4669,3 3964,5 3717,6 374,8 347,9

мё 1428,1 1071,5 481,3 908,6 988,8

Мп 151,5 206,8 163,9 22,6 27,0

Ъп 37,0 50,4 44,8 9,9 18,6

Ре 39,2 52,2 51,3 20,3 42,6

Си 2,33 2,06 2,34 0,96 1,70

Бг 0,62 1,47 2,17 1,30 9,68

РЬ 1,71 1,99 1,30 0,86 0,64

N1 0,97 0,86 1,16 0,37 0,35

Со 0,62 0,63 0,65 0,55 0,46

Сё 0,20 0,22 0,19 0,16 0,66

Содержание золы и зольных элементов в тканях органов деревьев сосны очень изменчиво. Особенно высока вариабельность содержания в них №, Со, Сё и Бг, меньше же всего изменяется содержание К, Бе, Ъп и Си. Содержание золы и зольных элементов в коре деревьев варьирует в гораздо большей степени, чем в хвое и древесине. Факторами вариабельности содержания золы и зольных элементов являются индивидуальные особенности деревьев, их возраст и условия произрастания. По мере старения хвои происходит увеличение содержания в ней Са, Бе и 5г, обеспечивающих ее жесткость, а содержание К и снижается. В древесине же с возрастом неуклонно увеличивается содержание К, что указывает на возрастание потребности деревьев в данном элементе, но снижается содержание Мп. Изменение содержания в древесине многих зольных элементов происходит во времени часто волнообразно, но в

каждом биотопе сугубо специфически, что обусловлено изменением напряженности конкурентных отношений между деревьями в ценозе.

Содержание большинства зольных элементов в хвое не зависит от ее размера и слабо связано с величиной текущего годичного прироста деревьев в высоту. Выявлено достоверное наличие прямой и умеренной связи лишь между величиной прироста и содержанием в однолетней и двухлетней хвое цинка, входящего в состав активных ферментов растений. Положительная корреляция прироста отмечена также с содержанием в однолетней хвое меди и никеля, что пока не поддается объяснению, поскольку эти металлы токсичны для растений.

Деревья, как и болотные кустарнички, обладают избирательностью извлечения зольных элементов из почвы и торфа. Так, зольность забо-лонной древесины намного меньше зольности корнеобитаемого слоя торфа (табл. 9). В древесине, по сравнению с торфом, гораздо меньше Ре, РЬ и Си, но зато больше К, Са, Мп, а в ряде случаев и Ъп. Торф и моховой покров, таким образом, являются, по сравнению с деревьями, более чуткими индикаторами загрязнения среды.

Таблица 9 - Соотношение содержания зольных элементов в заболонной древесине сосен и в верхнем слое торфа на различных верховых болотах

Болото Значение индекса поглощения элемента

Са К Мп Ре Хп Си РЬ №

Илюшкино 7,81 1,69 2,98 0,01 0,96 0,23 0,15 0,15

Безымянное 2,12 11,64 6,23 0,04 3,87 0,28 0,28 0,18

Содержание золы и зольных элементов в древесине изменяется у деревьев не только в радиальном направлении, т.е. во времени, но по градиенту длины их ствола, что необходимо учитывать при изучении биологического круговорота и ведении экологического мониторинга. Больше всего изменяется в вертикальном направлении содержание в древесине № и Ре, а меньше всего - Содержание большинства зольных элементов варьирует по градиенту длины ствола от 34 до 60 %.

Зольный состав хвои, коры, а особенно древесины сосен под влиянием выбросов завода силикатного кирпича изменился незначительно. Так, зольность хвои превысила здесь фоновый уровень всего в 1,5-1,7 раза, что связано с большой избирательной способностью деревьев к поглощению химических элементов из окружающей среды и сохранению внутреннего гомеостаза. Содержание же в хвое марганца вблизи источника загрязнения, наоборот, снизилось. Загрязнение среды кальцием и свинцом по содержанию их в хвое прослеживается на расстоя-

нии всего лишь до 200 м, цинком и железом - до 300, а стронцием и кадмием - до 400. Расстояние от источника загрязнения не оказывает существенного влияния лишь на изменение содержания в хвое меди, кобальта и никеля (табл. 10).

Таблица 10 - Изменение по градиенту загрязнения относительного содержания зольных элементов в хвое деревьев сосны

Элемент Содержание элемента на разном удалении от завода, мг/кг

100 м 130 м 190 м 280 м 340 м

Хвоя первого года жизни

5г 5,86 4,92 1,32 1,36 1,23

Са 3,40 2,38 0,97 0,90 1,11

са 2,83 2,31 1,39 1,42 1,19

Ре 1,70 1,39 1,31 1,17 1,07

гп 1,54 1,20 1,14 0,82 0,87

Си 1,30 1,35 1,19 1,38 3,64

РЬ 1,21 1,21 0,93 1,08 0,84

К 1,10 1,06 1,14 1,03 0,95

№ 0,98 0,67 1,02 0,61 0,61

Со 0,85 0,94 0,88 0,93 - 1,01

Мп 0,15 0,16 0,25 0,62 0,50

Хвоя второго года жизни

Яг 3,52 3,80 1,23 1,18 1,68

Са 2,81 2,66 1,03 1,04 1,35

Сё 1,97 1,93 1,52 0,98 1,95

Ре 1,44 1,25 0,96 1,29 0,99

гп 1,41 0,54 0,74 0,72 0,66

Си 1,32 1,14 1,08 0,98 0,94

РЬ 1,24 1,06 0,79 0,80 0,93

К 1,10 1,04 1,07 1,11 0,82

№ 1,10 1,21 1,18 1,22 1,36

Со 0,82 0,83 1,05 0,91 0,88

Мп 0,07 0,09 0,11 0,45 0,39

Хвоя третьего года жизни

Бг 3,02 2,75 1,43 1,43 1,60

Са 2,03 1,81 1,09 1,20 1,47

са 1,44 1,20 1,06 1.16 1,26

Ре 1,39 1,24 0,67 0,93 0,97

гп 1,30 0,96 1,02 1,36 0,85

Си 1,24 0,97 1,30 1,19 1,14

РЬ 1,01 0,99 0,74 0,64 0,83

к 0,95 0,92 0,90 0,83 0,75

№ 0,94 0,91 0,87 0,98 0,74

Со 0,23 0,10 0,17 0,08 0,10

Мп 0,06 0,05 0,08 0,26 0,22

При изучении круговорота веществ в лесных биогеоценозах важно, как уже отмечалось, оценивать не столько относительное содержание зольных элементов в различных их компонентах, сколько абсолютное, т.е. выраженное в единицах массы на единицу площади (г/м2 или кг/га). В результате проделанной работы было установлено, что основные запасы зольных элементов содержатся в верхнем слое почвы, однако каждый экотоп имеет некоторые особенности. Так, в сосняках лишайнико-во-мшистых лидером среди зольных элементов является Бе, за которым с большим отставанием следует Са, значительная масса которого сосредоточена в лесной подстилке (табл. 11). В сосняках же сфагновых среди зольных элементов доминирует Са, масса которого, сосредоточенная в основном в древостое, в два раза меньше, чем в сухих борах (табл. 12). Железо в сосняках сфагновых занимает вторую ранговую позицию и его масса в 7,9 раза меньше, чем в сосняках лишайниково-мшистых. Значительно меньше в сосняках сфагновых и масса остальных зольных элементов (Мп - в 27,3 раза; Со - в 7,5; Ъх\ - в 6,8; N1 - в 5,1; К - в 4,6; Си -в 3,6 и РЬ - в 3,5), которые сосредоточены в основном в торфе. Вынос большинства минеральных веществ древесными растениями из почвы невелик и может полностью восполняться за счет атмосферных осадков и аэральных выпадений пыли.

Таблица 11 - Распределение массы зольных элементов между различными компонентами структуры 100-летних сосняков лишайниково-мшистых Марийского Заволжья

Элемент Содержание зольных элементов в различных компонентах биогеоценоза

в целом, кг/га доля в различных компонентах, %

хвое стволах коре ветвях, корнях подстилке почве 0-20 см

Ре 2154,8 0,01 0,08 0,01 0,04 5,86 94,01

Са 1147,8 2,25 13,13 2,90 6,13 37,35 38,24

К 585,1 3,68 3,81 0,16 1,78 16,67 73,90

Мп 207,8 0,53 0,48 0,12 0,22 28,66 69,98

Ъп 26,59 0,95 2,20 0,23 1,02 25,27 70,33

РЬ 6,50 0,14 0,83 0,06 0,39 18,60 79,98

Си 4,48 0,27 2,11 0,34 0,99 16,32 79,97

N1 3,09 0,14 0,60 0,02 0,28 18,03 80,92

Со 1,51 0,21 3,19 0,23 1,48 10,32 84,57

Таблица 12 - Распределение массы зольных элементов между различными компонентами структуры 100-летних сосняков сфагновых Марийского Полесья

Элемент Содержание зольных элементов в различных компонентах биогеоценоза

в целом, кг/га доля различных компонентов структуры, %

хвои стволов коры ветвей, корней мхов торфа 10-30 см

Са 330,9 6,6 26,0 16,9 12,1 1,7 36.8

Ие 256,3 0,1 0,6 0,1 0,3 0,7 98,3

К 109,7 16,5 24,6 1,8 11,4 6,0 39,6

Мп 5,48 17,0 29,6 2,9 13,8 3,8 32,9

Ъа. 3,00 7,1 23,8 3,6 11,1 1,8 52,7

РЬ 1,48 0,5 4,2 0,2 1,9 0,7 92,5

Си 1,02 1,0 6,8 1,0 3,2 0,9 87,2

N1 0,51 0,7 5,2 0,4 2,4 0,9 90,3

Со 0,20 1,1 20,3 1,4 9,4 0,8 67,0

6. Выводы и предложения

По результатам исследований сделаны следующие выводы:

1. В напочвенном покрове сосняков лишайниково-мшистых больше всего содержится Са, за которым с большим отставанием следуют Ре, К и Мп. Замыкают ранговый ряд зольных элементов Бг и Со. Содержание зольных элементов в напочвенном покрове сосняков изменяется в пределах биогеоценозов в довольно больших пределах, что связано с различиями его фракционного и флористического состава, а также с деятельностью грибов и беспозвоночных.

2. Общее содержание всех зольных элементов в напочвенном покрове обратно пропорционально его массе (толщине), причиной чего является присутствие в нем песчинок, выбиваемых каплями дождя из почвы.

3. Лесная подстилка в сосняках лишайниково-мшистых является мощным геохимическим барьером биологического круговорота, аккумулирующим большую долю массы зольных элементов.

4. В верхнем слое почвы сосняков лишайниково-мшистых больше всего содержится Ре, за которым следуют К и Мп. Замыкают ранговый ряд зольных элементов N1 и Со. Содержание Са в почве во много раз ниже, чем в подстилке. Вариация содержания многих зольных элементов в почве сосняков лишайниково-мшистых гораздо выше, чем в напочвенном покрове. Особенно велика изменчивость содержания в почве Мп и Са.

5. В торфе верховых болот Марийского Полесья более всего содержится Ре, за которым следуют Са и К. На порядок меньше содержится в нем Мп, гп, РЬ, Си и N1. Замыкают ранговый ряд Со и С<1. Наиболее значительно варьирует содержание в торфе Мп, РЬ, К и Са, а менее всего - Со и Бг. Зольность торфа и концентрация в нем многих элементов наиболее высоки в верхних слоях и четко убывают с глубиной, хотя характер снижения значений в различных биотопах неодинаков.

6. Все органы деревьев сосны (хвоя, древесина, кора) и компоненты подпологовой растительности биогеоценозов в сухих и заболоченных борах Марийского Заволжья имеют свой сугубо специфичный зольный состав, так как очень избирательно поглощают химические элементы из окружающей среды. Мхи, по сравнению с кустарничками, являются во всех биогеоценозах гораздо более мощными накопителями Ре, РЬ и №. В тканях же лишайников гораздо меньше, чем в других растениях, Са, К, 2п, Си и №. Содержание зольных элементов в сфагновых мхах несколько иное, чем в подпологовой растительности сухих боров. Болотные кустарнички, по сравнению со сфагнумом, обладают более высокой избирательностью к потреблению зольных элементов из окружающей среды.

7. Длительное воздействие выбросов завода силикатного кирпича привело к существенному изменению зольного состава лесной подстилки и верхнего слоя почвы, многократно увеличивая в них, по сравнению с фоном, содержание Са и Бг, также Сг и Со. Зольный же состав хвои, коры, а особенно древесины сосен под влиянием известковых выбросов изменился незначительно, что связано с большой избирательной способностью деревьев к поглощению химических элементов из окружающей среды и сохранению внутреннего гомеостаза.

8. Основные запасы зольных элементов сконцентрированы в верхнем слое почвы, однако каждый тип леса имеет некоторые особенности. Так, в сосняках лишайниково-мшистых лидером среди зольных элементов является железо, за которым с большим отставанием следует кальций, значительная масса которого сосредоточена в лесной подстилке. В сосняках же сфагновых среди зольных элементов доминирует кальций, основная масса которого сосредоточена в древостое.

9. Древостой сосны из всех зольных элементов наиболее остро нуждаются в Са и К, запасы которых в песчаных почвах Марийского Заволжья малы. Нужды в остальных зольных элементах древостой не испытывает, поскольку содержание их в почве достаточно велико, а по-

требление деревьями крайне мало. Вынос древесными растениями большинства минеральных веществ из почвы невелик и может полностью восполняться за счет атмосферных осадков и аэральных выпадений пыли.

10. Главным результатом проделанной нами работы является установление закономерностей распределения зольных элементов в различных компонентах сосновых биогеоценозов и частях деревьев, а также границ их вариабельности.

Практические рекомендации

Для поддержания эколого-ресурсных функций лесных биогеоценозов и состояния их жизнеспособности на максимально возможном уровне необходимо:

1) в сосняках лишайниково-мшистых старше 40 лет периодически (через 20-30 лет) проводить управляемые палы и сжигать при проведении лесоводственных уходов порубочные остатки, что позволит вовлечь в биологический круговорот запасы зольных элементов, дополнительно снизить пожарную опасность и улучшить процесс естественного возобновления леса;

2) на особо ценных участках леса проводить известкование и вносить калийные удобрения, поскольку запасы Са и К в песчаных почвах Марийского Заволжья малы;

3) при ведении экологического мониторинга в сосновых лесах и геохимическом зонировании территорий оценивать содержание Са, К, Мп, N1 и РЬ только в напочвенном покрове, верхнем горизонте почвы и хвое деревьев, так как эти компоненты биогеоценозов обладают наиболее высокими индикаторными свойствами.

Публикации по теме диссертации Монографии

1. Демаков, Ю. П. Сосняки сфагновые Марийского Полесья: структура, рост и продуктивность / Ю. П. Демаков, М. Г. Сафин, С. М. Швецов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2012. - 276 с.

2. Воздействие завода силикатного кирпича на состояние и структуру соснового биогеоценоза / Ю. П. Демаков, М. И. Майшанова, Е. А. Гончаров, Г. А. Богданов, Ю. П. Краснобаев, С. М. Швецов, А. Н. Чемерис. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. - 192 с.

Издания, рекомендованные ВАК РФ

3. Хвоя как индикатор состояния сосновых молодняков на оли-готрофных болотах / Ю. П. Демаков, М. Г. Сафин, Р. И. Винокурова, В. И. Таланцев, С. М. Швецов // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Лес. Экология. Природопользование». - 2010. -№ 3. - С. 95-108.

4. Динамика содержания зольных элементов в годичных слоях старовозрастных сосен, произрастающих в пойменных биотопах / Ю. П. Демаков, С. М. Швецов, В. И. Таланцев, К. К. Калинин // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Лес. Экология. Природопользование». - 2011. - № 3. - С. 25-35.

5. Демаков, Ю. П. Изменение зольного состава хвои, коры и древесины сосны в зоне выбросов завода силикатного кирпича / Ю. П. Демаков, М. И. Майшанова, С. М. Швецов // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Лес. Экология. Природопользование». — 2012. - № 1. — С. 85-95.

6. Влияние длительного воздействия выбросов завода силикатного кирпича на подстилку и почву соснового биогеоценоза / Ю. П. Демаков, М. И. Майшанова, С. М. Швецов, А. В. Исаев, И. И. Митякова // Вестник Волжского университета им. В. Н. Татищева. - Тольятти, 2012. -№4 (13).-С. 46-58.

Прочие издания

7. Chemical composition of Cladonia sylvatica (L.) Hoffm / A. Koptina,

A. Shcherbakova, S. Shvecov, F. Soldati, E. Romanov, G. Ulrich-Merzenich //Planta Med.-2012.-Vol. 78, PJ61.-P. 1261-1262.

8. Изменчивость содержания зольных элементов в древесине, коре и хвое сосны обыкновенной / Ю. П. Демаков, Р. И. Винокурова,

B. И. Таланцев, С. М. Швецов // Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адаптационные технологии: материалы международной конференции с элементами научной школы для молодёжи [Электронный ресурс]. — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. -С. 32-38. -URL: http://csfm.marstu.net/publications.html

9. Демаков, Ю. П. Зольный состав древесины различных пород деревьев в пойменном биотопе / Ю. П. Демаков, С. М. Швецов, А. М. Швецов // Актуальные проблемы лесного комплекса: сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции «Лес-2012». - Брянск: БГИТА, 2012. - С. 125-129.

10. Демаков, Ю. П. Содержание металлов в стволах деревьев сосны на верховых болотах Марийского Полесья / Ю. П. Демаков, С. М. Швецов, М. Г. Сафин // Болотные экосистемы: охрана и рациональное использование: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012.-С. 151-156.

11. Демаков, Ю. П. Содержание зольных элементов в торфе верховых болот Марийского Полесья / Ю. П. Демаков, С. М. Швецов, М. Г. Сафин // Болотные экосистемы: охрана и рациональное использование: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012.-С. 156-161.

12. Демаков, Ю. П. Содержание зольных элементов в тканях напочвенных лишайников и мхов / Ю. П. Демаков, С. М. Швецов // Роль и задачи особо охраняемых природных территорий в современной России. - Йошкар-Ола, 2013. - С. 97-102.

13. Демаков Ю.П. Содержание зольных элементов в различных компонентах напочвенного покрова сосняков лишайниково-мшистых / Ю. П. Демаков, С. М. Швецов // Окружающая среда и устойчивое развитие регионов. Том 1: Теория и методы изучения и охраны окружающей среды. Экологические основы природопользования. - Казань, 2013. - С. 290-292.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенными гербовой печатью, просим присылать по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, д. 3, факс (8362) 41-08-72. Ученому секретарю диссертационного совета Мухортову Дмитрию Ивановичу, E-mail: MuhortovDI@volgatech.net

Подписано в печать 22.10.2013. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5217.

Редакционно-издательский центр ПГТУ 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Швецов, Сергей Михайлович, Йошкар-Ола

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

На правах рукописи

04201 451 1 89

Швецов Сергей Михайлович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СОСНОВЫХ БИОГЕОЦЕНОЗАХ СУХИХ И ЗАБОЛОЧЕННЫХ БОРОВ МАРИЙСКОГО ЛЕСНОГО ЗАВОЛЖЬЯ

Специальность - 06.03.02 Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Ю.П. Демаков

Йошкар-Ола 2013

<А

ОГЛАВЛЕНИЕ

L

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..........................................................................................7

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ,

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА..............................................................................................................30

2.1. Природные условия Республики Марий Эл ............................................................30

2.2. Характеристика объектов исследования......................................................................37

2.3. Методика исследования и объем выполненных работ......................................50

ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ ЗОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ

СОСНОВЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ..............................................................................................52

3.1. Содержание зольных элементов в подстилке сосняков лишайнико-во-мшистых ......................................................................................................................................................52

3.2. Содержание зольных элементов в почве сосняков лишайниково-мшистых ..............................................................................................................................................................62

3.3. Содержание зольных элементов в торфяном слое верховых болот

Марийского Полесья ................................................................................................................................78

ГЛАВА 4. СОДЕРЖАНИЕ ЗОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОДПОЛО-

ГОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ СОСНОВЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ................101

4.1. Содержание зольных элементов в подпологовой растительности сосняков лишайниково-мшистых....................................................................................................101

4.2. Содержание зольных элементов в подпологовой растительности

верховых болот Марийского Полесья..........................................................................................107

ГЛАВА 5.НАКОПЛЕНИЕ ЗОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДРЕВОСТОЕМ ... 119

5.1. Содержание зольных элементов в хвое деревьев сосны..................................119

5.2. Содержание зольных элементов в сосновой древесине....................................138

5.3. Потребление зольных элементов на образование коры деревьев..........165

5.4. Распределение массы зольных элементов между различными компонентами биогеоценоза и ее ежегодное потребление древостоем на

образование органического вещества ......................................................................................170

6. ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ....................................................................................................178

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................................................183

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы определяется необходимостью поддержания эколого-ресурсных функций лесов и состояния их жизнеспособности на максимально возможном уровне, достижимом лишь на основе глубокого познания механизмов их функционирования и, в частности, вскрытия закономерностей протекания в них биологического круговорота химических элементов. Данные по фоновому содержанию элементов в почвах и растениях, а также границах их вариабельности под действием факторов внешней среды, могут быть использованы также при ведении экологического мониторинга.

Несмотря на то, что эта проблема давно находится в поле зрения исследователей и многие фундаментальные заключения уже сделаны, в ней остаются пока слабо освещенными региональные особенности протекания биологического в лесных биогеоценозах круговорота, во многом зависящего от условий среды. Недостаточно изученным является также вопрос о влиянии загрязнения окружающей среды на распределение химических элементов в различных компонентах лесных биогеоценозов. Практически не изучены в этом плане сосновые биогеоценозы Марийского Заволжья и выполненные нами работы, которые проведены в рамках госзадания ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» по теме «Закономерности распределения химических элементов и загрязняющих веществ в ландшафтах Среднего Поволжья», во многом являются пионерными.

Целью исследований является выявление региональных закономерностей распределения зольных элементов в различных компонентах сосновых биогеоценозов, произрастающих в жестких и диаметрально противоположных по увлажнению лесорастительных условиях (в сухих и заболоченных борах), типичных для Республики Марий Эл, а также оценка их изменений под влиянием загрязнения среды выбросами завода силикатного кирпича.

Для ее реализации были поставлены следующие задачи:

1) обобщить литературные материалы по теме диссертации;

2) провести натурную оценку структурной организации древостоев на пробных площадях в сосняках лишайниково-мшистых и сфагновых;

3) оценить зольный состав различных компонентов ненарушенных сосновых биогеоценозов (почве, подстилке, подпологовой растительности, древостое) и частях деревьев (хвое, коре и древесине), установить степень его вариабельности и средний фоновый уровень в каждом из изученных типов лесорастительных условий;

4) изучить характер воздействия аэральных выбросов завода силикатного кирпича на изменение зольного состава различных компонентов соснового биогеоценоза и частей деревьев сосны;

5) выявить закономерности распределения в сосновых биогеоценозах сухих и заболоченных боров массы зольных элементов и оценить степень потребности в них деревьев.

Методы исследования: натурная оценка состояния древостоев на пробных площадях, химический лабораторный анализ содержания зольных элементов, статистическая обработка полученных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) ранговые ряды и вариабельность содержания зольных элементов в различных компонентах биогеоценозов и частях растений, региональный фоновый уровень для сосновых биогеоценозов в сухих и заболоченных борах Республики Марий Эл;

2) характер изменения зольного состава различных компонентов соснового биогеоценоза под воздействием выбросов завода силикатного кирпича выраженный в форме математических моделей;

3) закономерности распределения в сосновых биогеоценозах массы главнейших зольных элементов и оценка потребности в них деревьев.

Научная новизна работы. Впервые для условий Республики Марий Эл и Среднего Поволжья в целом установлены закономерности распределения содержания зольных элементов в различных компонентах сос-новых биогеоценозов сухих и заболоченных боров, оценено воздействие аэральных выбросов завода силикатного кирпича на зольный состав лесной подстилки, почвы, древесины, коры и хвои сосны, дана количественная характеристика биологического поглощения катионов металлов в системе «почва-растение» и определена потребность в них деревьев. Так, к примеру, установлено, что

основные запасы зольных элементов содержатся в подстилке и верхнем слое почвы, однако каждый тип леса имеет некоторые особенности: в сосняках лишайниково-мшистых лидером среди зольных элементов является железо, а в сосняках сфагновых - кальций. В сосняках сфагновых железо занимает вторую ранговую позицию и его масса в 8 раз меньше, чем в сосняках лишайни-ково-мшистых. Значительно меньше в сосняках сфагновых и масса остальных зольных элементов, которые сосредоточены в основном в торфе. Древостой сосны наиболее остро нуждаются в Са и К, запасы которых в песчаных почвах Марийского Заволжья малы. Нужды в остальных зольных элементах древостой не испытывает, поскольку содержание их в почве достаточно велико, а потребление деревьями крайне мало. Вынос древесными растениями большинства минеральных веществ из почвы невелик и может полностью восполняться за счет атмосферных осадков и аэральных выпадений пыли. Лесная подстилка в сосняках лишайниково-мшистых является мощным геохимическим барьером биологического круговорота веществ.

Практическое значение исследований заключается в установлении регионального фонового уровня содержания катионов металлов в различных компонентах сосновых биогеоценозов в сухих и заболоченных борах, оценке воздействия на него аэральных выбросов завода силикатного кирпича, а также в выделении индикаторов, которые могут быть использованы в системе экологического мониторинга и оценке потребности деревьев в элементах зольного питания. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Лесоведение», «Экология», «Геоэкология», «Мониторинг окружающей среды», а также при разработке системы мероприятий по повышению эколого-ресурсных функций сосновых лесов путем направленного регулирования в них круговорота химических элементов.

Обоснованность выводов и достоверность результатов исследований обеспечивается представительностью и репрезентативностью фактического материала, собранного и обработанного с использованием стандартных методов лесоведения, биогеоценологии, химического анализа и математической статистики.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его программы, сборе, обработке и анализе исходного материала, написании научных статей и текста диссертации, формулирование выводов и основных положений, выносимых на защиту.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на региональных, всероссийских и международных научно-практических конференциях: «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адаптационные технологии» (Йошкар-Ола, 2010), «Лес-2012» (Брянск, 2012), «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Йошкар-Ола, 2012), «Болотные экосистемы: фундаментальные аспекты охраны и рационального природопользования» (Йошкар-Ола, 2012), «Роль и задачи особо охраняемых природных территорий в современной России» (Йошкар-Ола, 2013), а также на ежегодных внутривузовских научных конференциях и заседаниях кафедры экологии, почвоведения и природопользования ФГБУ ВО «Поволжский государственный технологический университет».

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 12 научных работах, четыре из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Благодарности. Выражаю сердечную благодарность зав. кафедрой химии ПГТУ, д-ру биологических наук, профессору Раисе Ибрагимовне Винокуровой и инженеру кафедры Владимиру Ивановичу Талан цеву, оказавшим большую помощь в освоении методики проведения химического анализа собранных мною образцов. Большую помощь в сборе и обработке полевого материала мне оказали также канд. биологических наук М.И. Майшанова, канд. биологических наук М.Г. Сафин, канд. с.-х. наук A.B. Исаев и канд. биологических наук И.И. Митякова. Особую благодарность выражаю своему научному руководителю д.б.н., проф. Ю.П. Демакову за ценные советы и практическую помощь по всем разделам диссертационной работы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Леса, как известно (Лосицкий, Чуенков, 1980; Букштынов, Грошев, Крылов, 1981; Атлас биоразнообразия 1996), играют исключительно важную функциональную роль в сохранении устойчивости функционирования биосферы: занимая одну третью часть поверхности суши, они продуцируют ежегодно 2/3 первичной продукции, аккумулируя в себе до 90% всей наземной биомассы. Леса России - уникальное богатство, которым располагает государство (Виноградов, Мартынов, Тепляков, 1996). Они занимают около 1,2 млрд. га и представляют собой своеобразный природный комплекс, равноценного которому нет ни на одном из континентов. Прежде всего, это величайший в мире целостный и малонарушенный лесной массив. Размещаясь на шестой части поверхности суши, он включает в свой состав более четверти всех лесных биогеоценозов планеты. Однако особая ценность их определяется не только размерами, но и породным составом: в них сосредоточено более половины хвойных лесов планеты.

Лесные биогеоценозы относятся к числу наиболее сложных экологических систем (Сукачев, 1964, 1972; Дылис, 1982; Корзухин, Семевский, 1992; Демаков, 2000; Цветков, 2004). Устойчивость их функционирования обеспечивается благодаря непрерывному круговороту веществ, т.е. перемещению элементов минерального питания из почвы в растения и обратно, выносу с током воды за пределы биогеоценоза и поступлению их с атмосферными осадками и техногенными выбросами. Трудности познания закономерностей протекания биологического круговорота, начатые еще в середине прошлого столетия (Смирнова, 1951; Базилевич, 1954, 1955, 1965; Мина, 1955; Ремезов, Быкова, Смирнова, 1955, 1959; Смирнова, Городенцева, 1958; Манаков, 1961, 1972; Марченко, Карлов, 1962; Бутузова, 1964; Ахромейко, 1965; Родин, Базилевич, 1965; Абатуров, 1966; Вараксина, Холькин, Баженов, 1967; Пьяв-ченко, 1967; Базилевич, Родин, 1969; 1971; Смольянинов, 1969; Морозова,

1971; Гришина, 1974; Долобовская, 1975; Манаков, Никонов, 1981; Смолья-нинов, Климова, 1978; Вакуров, Полякова, 1982), обусловлены не только многокомпонентностью и многообразием биогеоценозов, но и длительностью периода их развития, что затрудняет, а порой исключает проведение прямых экспериментов. Исследователи, занимавшиеся данным вопросом, столкнулись с массой неопределенностей, связанных с нехваткой и неточностью эмпирических данных по фитомассе и первичной продукции лесных биогеоценозов, а также содержанию в них различных химических элементов. В связи с этим четко обозначилась необходимость как формирования представительной базы данных, охватывающей все многообразие лесных биогеоценозов, так и совершенствования методов сбора исходной информации.

Все организмы в биогеоценозах состоят из многих химических элементов, органических соединений и воды (Виноградов, 1972; Перельман, 1975, 1979; Вернадский, 1978, 1994; Ильин, 1985; Кабата-Пендиас, 1989). Живое вещество - это в первую очередь «кислородное вещество», так как содержание кислорода составляет в нем 70%. Большая часть кислорода связана с водородом и образует воду, количество которой обычно превышает 50%. Большинство химических элементов присутствует в живом веществе в очень малых концентрациях, но они образуют летучие или легкорастворимые соединения, которые вовлекаются в главные биогеохимические циклы. Часть из них жизненно необходима для роста, развития и здоровья организмов. Обычно количественные различия между необходимыми и биологически избыточными количествами этих элементов очень малы. В живом веществе в целом очень мало ядовитых элементов (урана, ртути, селена и др.), хотя они и образуют растворимые соединения. Низко содержание циркония, титана, тантала и других малоподвижных элементов.

Большинство минеральных веществ живые организмы на суше, особенно растения, получают преимущественно из почвы, покрывающей поверхность литосферы, а также из подземных вод. Часть питательных веществ

организмы получают непосредственно из атмосферы или атмосферных выпадений.

Одной из основных движущих сил биогеохимических процессов являются растения. Их способность поглощать различные химические элементы из почвы, почвообразующих пород, атмосферы и грунтовых вод, приводит к тому, что они перемещаются из одного компонента ландшафта в другой (Виноградов, 1952; Ковалевский, 1974; Перельман, 1975, 1979; Глазовская, 1988; Алексеенко, 1990, 2000; Добровольский, 1998). В составе растений можно обнаружить почти все химические элементы, существующие на Земле, но для питания и роста им необходимо небольшое их число. Основные элементы питания можно с определенной долей условности разделить на две крупные группы: макроэлементы и микроэлементы. К макроэлементам относятся азот, калий, кальций, фосфор, магний и сера. Потребность в них растительных организмов очень высока. Остальные элементы периодической системы Д.И. Менделеева можно условно отнести к микроэлементам. Растениям они нужны в сравнительно небольших количествах, но это не значит, что они могут обойтись без какого-либо из них. Согласно принципу незаменимости питательных элементов, отсутствие или существенный недостаток любого макро или микроэлемента приводит к снижению роста, болезням и даже может привести к гибели растения.

Содержание микроэлементов в различных органах растений имеет определенные закономерности (Бутузова, 1964; Титлянова, 1972; Митрофанов, 1977; Ильин, 1985, 1997; Кабата-Пендиас, 1989; Гире, 1998). Например, марганец и молибден, как правило, в больших количествах содержатся в листьях, а цинк, бор, кобальт, медь при достаточной обеспеченности этими элементами накапливаются в вегетативных и генеративных органах [http://www.west-climat.ru/khimicheskie-elementy-neobkhodimye-rasteniyam.html].

Химический состав растений является переменной величиной, зависящей от �