На правах рукописи
Михайлов Юрий Зиновьевич
ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
НА ФОРМИРОВАНИЕ ЛЕСНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ
ПРИАНГАРЬЯ
Специальность 03.00.16. – «Экология»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Братск 2008 2
Работа выполнена на кафедре лесоинженерного дела ГОУВПО «Братский государственный университет» (г. Братск).
Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, профессор Елена Михайловна Рунова
Официальные оппоненты – доктор биологических наук, профессор Виктор Иванович Воронин кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Шихранов Олег Геннадьевич
Ведущая организация – ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», г. Хабаровск
Защита состоится 18 декабря 2008 г. в 10-00 ч. на заседании диссертационного совета ДМ 212.018.03. в Братском государственном университете по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко, 40.
Факс: (3953) 33-20- Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.018.03.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БрГУ.
Автореферат разослан « 18 » ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Чжан С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Роль лесов чрезвычайно велика и заключается в регулировании экологического равновесия биосферы и сохранении биологического разнообразия. Современные лесные экосистемы Приангарья характеризуется преобладанием светлохвойной тайги на равнинах и плато с незначительным участием темнохвойных ландшафтов. Леса представляют собой открытую термодинамическую систему, непрерывно обменивающуюся веществом и энергией с внешней средой. Внешние факторы среды органически связаны с динамикой лесных сообществ, поэтому рациональное ведение лесного хозяйства невозможно без всестороннего изучения климатических, радиационных, почвенно-географических и гидрологических процессов. В связи с этим, исследование взаимодействия экологических факторов на процессы формирования и динамики лесных фитоценозов в климатических и антропогенных условиях Приангарья является актуальным.
Цель работы заключается в комплексном исследовании природных условий Приангарья в связи с естественным и антропогенным воздействием на лесные фитоценозы.
К основным задачам диссертационной работы относятся:
- выявление влияния природно-климатических факторов на формирование лесных сообществ таежной зоны;
- влияние природно-климатических явлений на уровень загрязнения атмосферы в районе действия промышленных предприятий;
- исследование влияния загрязнения атмосферы на радиальный прирост хвойных древостоев Приангарья;
- выявление зависимости климатических и антропогенных факторов на возникновение лесных пожаров.
Научная новизна работы. Выявлен характер воздействия природноклиматических явлений на состав и возрастную структуру лесных фитоценозов Приангарья. Математически доказана стабильная величина физиологически активной радиации (ФАР), влияющая на постоянство видового состава лесных фитоценозов. Разработаны математические модели переноса загрязняющих веществ в виде аэрозолей в условиях БратскоУсть-Илимского промышленного узла и влияния природноклиматических и антропогенных факторов на радиальный прирост сосны и лиственницы. Определены природно-пространственные закономерности горимости лесов на территории региона.
Положения, выносимые на защиту:
1. Оценка влияния антропогенных и природно-климатических факторов на состояние лесных фитоценозов.
2. Математическая модель влияния природно-климатических и антропогенных факторов на состояние и радиальный прирост хвойных древостоев.
3. Математическая модель вероятности возникновения лесных пожаров в пространственно-временном аспекте в условиях Приангарья.
Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит в получении результатов влияния природно-климатических и антропогенных факторов на продуктивность и жизнеспособность лесных фитоценозов, которые могут быть использованы при прогнозировании состояния лесного фонда и динамики сукцессионных процессов в лесах Приангарья.
Исследования выполнялись в рамках научного направления Братского государственного университета: «Мониторинг и управление экологической ситуацией Братско-Усть-Илимского ТПК», по госбюджетной теме:
«Разработка и обоснование технологии лесопользования в зоне БратскоУсть-Илимского ТПК», в рамках фундаментальных НИР по единому заказ-наряду Федерального агентства по образованию РФ «Экологический мониторинг и влияние лесопользования на водные ресурсы Приангарья» и «Пространственно-временной характер антропогенной сукцессии лесов бореальной зоны».
Обоснованность выводов и достоверность результатов подтверждены многочисленными данными, собранными на постоянных и временных пробных площадях, результатами замеров климатических показателей за длительный период времени и обработанных с использованием методов статистики и математического моделирования.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, выборе методик и проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, обобщении результатов, подготовке выводов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава и аспирантов БрГУ, международной конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса » (г. Брянск, 2006, 2007, 2008 г.), всероссийской конференции «Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы» (г. Иркутск, 2003 г.).
Результаты работы экспонировались на выставках-ярмарках “Сиблесопользование – 2003 -2008“ (г. Иркутск).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе одна опубликована в издании, рекомендованном списком ВАК.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (135 наименований).
Она изложена на 138 страницах, включая 33 рисунка и 27 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит актуальность, научную новизну, апробацию работы. Поставлены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, обоснована практическая значимость работы.
1. Состояние вопроса. Атмосферные процессы являются важнейшим абиотическим фактором лесных экосистем. Существование лесов зависит не только от средних климатических условий, но и от структуры отдельных метеорологических величин и вероятности их совместного воздействия. [Сукачев, 1972; Одум, 1986; Филиппов, 1974; Ефимова, 1955].
Многочисленными научными исследованиями установлено, что на рост деревьев влияют, как внутренние (биологические свойства), так и факторы внешней среды. [Нащокин, 1963; Нейштанд, 1957; Ловелиус, 1979; Молчанов, 1976; Ляэнелайд, 1981; Костин, 1962].
На основании анализа литературных источников по влиянию экологических факторов можно установить следующее, что на формирование и развитие лесных фитоценозов и их устойчивость оказывают большое влияние факторов: климатические, радиационные, почвенногеографические, гидрологические, антропогенные. Бореальные леса Приангарья являются открытыми термодинамическими системами с неустойчивым равновесием. Любое нарушение равновесия: изменения климата, гидрологических условий, влияние промышленного загрязнения, пожары, вырубки, приводят к сукцессиям и потере устойчивости лесных фитоценозов.
2. Объем и методы исследований. Основным методом сбора информации о состоянии древесной растительности являлось полевое обследование на пробных площадях, которые закладывались по стандартным методикам (ОСТ 56-69-85 «Пробные площади лесоустроительные»). На каждой пробной площади производилось лесоводственно-геоботаническое описание, с указанием особенностей древостоя, подроста, подлеска, напочвенного покрова и рельефа.
Измерялись следующие таксационные и биоиндикационные показатели: высота, диаметр, возраст деревьев, возраст и длина хвои, ее состояние, а также устанавливались класс дефолиации и балл категории состояния согласно «Санитарным правилам в лесах РФ». Для определения радиального прироста были взяты образцы древесины с помощью возрастного бурава на высоте груди (1,3 м).
Сведения о радиационном балансе исследуемой территории, многолетние данные температурного режима, а также данные о химическом анализе проб атмосферного воздуха на содержание сернистого газа, окислов азота, аммиака, хлора, фтора брались по данным метеостанции г.
Братска. Экспериментальные данные обработаны статистически. Применялись методы математического моделирования с использованием компьютерных программ, законов теории вероятностей и теорий множеств.
Для более детального и глубокого изучения процессов влияния экологических факторов на состояние лесных фитоценозов были заложены 17 постоянных пробных площадей и 19 временных. Визуально обследовано более 250 тыс. гектаров леса. Определено состояние основных лесообразующих пород в зонах антропогенного загрязнения в районе промышленного узла города Братска. Проведены дендрохронологические исследования, для чего было обработано 68 кернов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и лиственницы сибирской (Larix sibirica Ldb.) различных категорий состояния.
На рисунке 1 приведен алгоритм исследования.
Влияние экологических факторов на формирование лесных фитоценозов Приангарья 3. Характеристика объекта исследования. Характер формирования лесной растительности зависит от почвенных и климатических факторов.
Преобладающим типом почв Иркутской области являются дерновоподзолистые и дерновые лесные железистые почвы. Наибольшие пространства региона (27,3%) заняты дерново-подзолистыми и дерновокарбонатными почвами.
Практически во всех пунктах региона характер годового хода скорости ветра одинаков: максимумы наблюдаются весной (чаще всего в апреле) и осенью – в октябре-ноябре. Средние скорости обычно составляют 2м/с. Минимумы в годовом ходе скорости ветра отмечаются зимой (январь-февраль) и летом (июль), когда средние скорости равны 0,7-1,5 м/с.
Ветер со скоростью более 15 м/с принято считать сильным. Повторяемость таких значений очень невелика и изменяется в течение года. Обычно число дней с сильным ветром составляет 0,1-0,4 в январе и 0,5-3 в апреле.
За последние десятилетия в результате хозяйственного использования лесов, воздействия пожаров и биотических факторов лесной покров Приангарья претерпел значительную антропогенную трансформацию. В результате техногенного загрязнения лесных территорий изменяются экологические условия роста лесных фитоценозов.
4. Пространственная и временная динамика лесных экосистем Приангарья. Возрастная структура лесного фитоценоза является индикатором происходящих в нем процессов – реакции на изменения внешней среды. На основании многолетних данных установлены математические зависимости изменения динамики возрастных групп и основных таксационных показателей древостоев основных лесообразующих пород на ближайшие годы. На рисунках 2,3,4 представлена динамика доли спелых и перестойных насаждений основных лесообразующих пород Иркутской области.
Изменение доли спелых и перестойных насаждений сосны можно описать следующим уравнением:
где у – процент спелых и перестойных насаждений сосны от покрытой лесом площади; х – годы; R2 - величина достоверности аппроксимации.
Рисунок 2 - Динамика доли спелых и перестойных Рисунок 3 - Динамика доли спелых и перестойных Изменение доли спелых и перестойных насаждений лиственницы можно описать следующим уравнением:
где у – процент спелых и перестойных насаждений лиственницы от покрытой лесом площади; х – годы; R2 - величина достоверности аппроксимации.
Рисунок 4 - Динамика доли спелых и перестойных Изменение доли спелых и перестойных насаждений березы и осины можно описать следующими уравнениями:
Для березы:
где у – процент спелых и перестойных насаждений березы от покрытой лесом площади; х – годы; R2 - величина достоверности аппроксимации где у – процент спелых и перестойных насаждений осины от покрытой лесом площади; х – годы; R2 - величина достоверности аппроксимации.
Наблюдается неуклонное сокращение спелых и перестойных лесов среди хвойных формаций, кроме пихтарников. Доля древостоев, достигших возраста спелости, среди пихтарников, березняков и осинников отличается относительной стабильностью.
На основании анализа многолетних данных состояния лесных фитоценозов Приангарья можно делать выводы об относительной стабильности породного состава и возрастной структуры лесов. Однако в последние десятилетия прослеживается тенденция замены хвойных пород лиственными, некоторые изменения возрастной структуры. Получены математические модели, прогнозирующие качественные и количественные показатели лесов Приангарья: процент от покрытой лесом площади, средний запас на 1 га, класс возраста, бонитет, средняя полнота.
5. Влияние природно-климатических и антропогенных факторов на лесную растительность Приангарья. Для оценки радиационного режима на развитие лесных фитоценозов Приангарья получены многолетние экспериментальные данные по Иркутской области. На основании этих данных произведен регрессионный анализ связи суммарной солнечной радиации ( Q ) с широтой места ( ), как главным фактором природной зональности. Для каждого месяца и за год получены следующие уравнения регрессии и коэффициенты корреляции ( r ). Зависимость между количеством годовой солнечной радиации и широтой местности можно выразить следующим уравнением:
Погрешность расчета по этим уравнениям регрессии не превышает 2-8%. Объективность регрессионного анализа подтверждается коэффициентами корреляции. Это означает, что фактор широтной зональности является основным. Вклад широты в пространственную изменчивость суммарной радиации составляет 75-98%. Характерным для зимнего сезона является меридиональное направление воздушных масс, что позволяет лучше проявиться фактору зональности. Два экспериментальных массива – при безоблачном небе и при действительных условиях облачности – позволяют оценить влияние погодных факторов на количество фотосинтетически активной радиации (ФАР) по сравнению с радиацией, формирующейся только за счет поглощения и рассеяния в безоблачной атмосфере. Месячные и годовые суммы фотосинтетически активной солнечной радиации (Ф) изменяются по широте в соответствии со следующими полученными уравнениями регрессии:
При действительных условиях облачности Главным фактором пространственного распределения ФАР, как и суммарной радиации, является широтная зональность. За исключением июля, когда фактор зональности сильно искажается аэросиноптическими условиями, коэффициенты корреляции ФАР с широтой очень велики и колеблются в пределах 0,80-0,99, что означает, что вклад географической широты в пространственную дисперсию составляет 65-95%, т.е. является определяющим. По всей территории региона годовая сумма ФАР меняется от 1825 МДж/м2 до 2025 МДж/м2, т.е. примерно на 10%. Впрочем с такой стабильностью ФАР, связано относительное постоянство видового состава лесного сообщества таежной зоны. Статистически обработаны и проанализированы данные по количеству атмосферных осадков, годовым колебаниям температуры воздуха и почвы.
Основными источниками загрязнения воздуха в Братском районе являются Братский алюминиевый завод, Братский лесопромышленный комплекс.
В зависимости от степени ослабления (усыхания) насаждений, на всей обследованной наземной площади выделены три условные зоны влияния промышленных выбросов: первая зона - зона сильного загрязнения, в которую вошли в основном усыхающие и погибшие насаждения (в основном перестойные древостой); вторая зона - зона среднего загрязнения промышленных выбросов, в которую входят сильно ослабленные насаждения; третья зона - зона слабого загрязнения промышленных выбросов, которая включает в себя как ослабленные, так и здоровые насаждения с признаками влияния промышленных выбросов. Третья зона не имеет четко выраженной внешней границы.
В каждой из этих зон были заложены постоянные и временные пробные площади с целью оценки состояния лесных экосистем, подверженных воздействию промышленного загрязнения.
Обработка экспериментальных данных позволила сделать некоторые выводы (рисунок 5 и уравнение 5).
Изменение среднего балла категории состояния можно описать следующим уравнением:
где у – средний балл категории состояния; х – расстояние от источника выбросов; R2 - величина достоверности аппроксимации.
Рисунок 5 – Зависимость среднего балла категории состояния насаждений на постоянных пробных площадях от расстояния Как видно из уравнения 5 существует достаточно тесная зависимость между расстоянием от источника выбросов (в данном случае алюминиевый завод) и состоянием древостоя. Чем ближе к источнику выбросов, тем более ослабленными являются древостои. Даже на расстоянии более км от алюминиевого завода чувствуется ослабление и угнетение отдельных деревьев хвойных пород.
На временных пробных площадях изучалась зависимость процента сухостойных деревьев от источника выбросов и от возраста древостоя.
Наиболее тесная зависимость прослеживается между расстоянием и процентом сухостойных деревьев, т.е. вблизи предприятия сконцентрированы от 20 до 30 % сухостойных деревьев. На расстоянии более 20 км от завода процент сухостойных деревьев снижается до 3-5 % от общего запаса насаждения. Эта зависимость отражена на рисунке 6 и в уравнении 6.
Рисунок 6 - Зависимость процента сухостойных деревьев на временных пробных площадях от расстояния от источника Изменение процента сухостойных деревьев можно описать следующим уравнением:
где у – процент сухостойных деревьев от общего запаса насаждения;
х – расстояние от источника выбросов; R2 - величина достоверности аппроксимации.
Комплексной характеристикой загрязнения воздуха служит «индекс загрязнения» атмосферы (ИЗА), определяемый в соответствии с методикой (РД 52.04 186 -89):
где qi и ПДК i, - концентрации для ПДК i-ой примеси, а C i класс ее опасности.
На рис. 7 приводится годовой ход индекса загрязнения для 11 антропогенных примесей воздуха в г. Братске. Как видно из графика, ИЗА меняется в течение года по своему закону, несколько похожему на изменение пыли и аэрозолей.
Рисунок 7 - Годовой ход индекса загрязнения атмосферы в Братске Интегральный индекс загрязнения атмосферы также изменяется в течение года, в наибольшей мере повторяя ход аэрозолей.
В заключение анализа сезонных изменений атмосферных примесей можно подчеркнуть, что в относительной мере амплитуды внутригодовых вариаций невелики и составляют в среднем около 30 мг/м3.
Объективная оценка степени техногенного воздействия должна базироваться на расчете диффузионного переноса атмосферных примесей от их источников. В зависимости от целей, перенос примесей рассчитывается с той или иной степенью детализации решений уравнения турбулентной диффузии. Для районирования лесных массивов большой площади, нет необходимости в детальных расчетах, а достаточно получить усредненное пространственное распределение средних за год или сезон концентраций примесей.
Простым и физически наглядным для такой цели является метод Лайхтмана Д.Л., основанный на аналитическом решении уравнения диффузии и учитывающий пульсации направления ветра.
Воспользуемся для расчета уравнением диффузии сферическисимметричного источника:
где r - расстояние от источника, D - коэффициент диффузии.
Решение уравнения (1) для непрерывного источника постоянной мощности (М) имеет вид:
в установившемся режиме (t ) :
Таким образом, разовая концентрация уменьшается пропорционально расстоянию в первой степени.
Применяя решение, полученное Лайхтманом к инверсионным условиям в Сибири, без учета поглощения примесей земной поверхностью, концентрация примеси убывает пропорционально расстоянию. Если же учесть поглощение примесей на земной поверхности (это типично для леса), то показатель степени будет равен 2. Отсюда решение (3) можно заменить равенством:
которое использовалось при расчетах.
Объемная концентрация резко убывает с расстоянием и, например, в Братске на расстояниях 2, 10, 40 и 60 км от источника выбросов годовая концентрация которых равна 118 тыс.т/га буде составлять соответственно следующие значения: 9250 10 3 мг/м3, 370 10 3 мг/м3, 23 10 3 мг/м3 и Аналогичные расчеты по примененной методике можно выполнить отдельно для сезонов или месяцев вегетационного периода. Несмотря на усредненный характер расчетов, полученные концентрации соответствуют наблюдаемым значениям. Так, в Братске измеряемые общие концентрации составляют 1-1,2 мг/м3; такая же цифра получена в расчете для ближайших окрестностей города согласно уравнению 11.
Рисунок 8 - Распределение средней годовой концентрации атмосферных примесей, выбрасываемых промышленными предприятиями и транспортом города Братска и Усть-Илимска. (Цифры у изолиний – 10-3 мг/м3).
«