диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Екатеринбург – 2012 Электронный архив УГЛТУ
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»
Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Усольцев Владимир Андреевич;
Официальные оппоненты: Шиятов Степан Григорьевич, доктор биологических наук, профессор, ФГБУ Науки Институт экологии растений и животных УрО РАН, лаборатория дендрохронологии, ведущий научный сотрудник;
Кряжевских Надежда Аркадьевна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», кафедра лесоводства, доцент
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»
Защита состоится 29 марта 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, 37, УГЛТУ, УЛК – 1, ауд. 401.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».
Автореферат разослан 22 февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Бачурина Анна Владимировна Электронный архив УГЛТУ ВВЕДЕНИЕ.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. К середине ХХ века стало очевидно, что развитие энергетики, промышленности и транспорта привело к появлению нового экологического фактора – промышленного загрязнения, оказывающего разрушительное воздействие на природные комплексы, в частности, на лесные экосистемы. В связи с проблемой стабилизации климата оценка их биологической продуктивности и углерододепонирующей способности с учетом антропогенных воздействий становится все более актуальной (Ведрова и др, 2002; Ярмишко, 2005).
На Урале одним из наиболее интенсивных источников токсичных выбросов в атмосферу является медеплавильное производство, в частности, Карабашский медеплавильный комбинат (КМК) в Челябинской области. Необходимо оценить действительный продукционный потенциал насаждений, подверженных загрязнению выбросами КМК.
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. Целью диссертационной работы является оценка фитомассы и чистой первичной продукции (ЧПП) насаждений березы повислой в градиенте загрязнений от КМК.
В связи с поставленной целью конкретные задачи исследования:
заложить в градиенте загрязнений от КМК пробные площади в количестве, необходимом для выявления закономерностей изменения фитомассы и ЧПП насаждений;
установить закономерности изменения фитомассы, ЧПП и продуктивности ассимиляционного аппарата деревьев березы в градиенте загрязнений;
установить закономерности изменения фитомассы и ЧПП древесного и нижнего яруса березняков в градиенте загрязнений;
составить таблицы для определения фитомассы и ЧПП, а также квалиметрических показателей фитомассы, деревьев березы повислой в градиенте загрязнений от КМК.
На защиту выносятся следующие положения:
характеристика биологической продуктивности березы повислой, выраженная в абсолютных и относительных количественных показателях, и закономерности ее изменения в градиенте загрязнений от КМК;
таблицы для определения показателей фитомассы и ЧПП деревьев и насаждений березы повислой в градиенте загрязнений от КМК;
закономерности изменения плотности и содержания сухого вещества в фитомассе в градиенте загрязнения и таблицы для их определения.
Научная новизна. Впервые дана характеристика фитомассы, ЧПП и продуктивности листвы березы повислой в градиенте загрязнений от КМК и построены зависимости биологической продуктивности березняков от степени удаления от КМК и индекса токсичности; составлены таблицы для определения количественных и квалиметрических показателей фитомассы и ЧПП деревьев березы и дан их анализ в градиенте загрязнений от КМК.
Практическая значимость работы. Результаты исследования полезны при эколого-экономической оценке воздействий на окружающую среду, оказываемых медеплавильным производством на Урале, 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, использование современных компьютерных программ, системный подход при анализе фактических материалов и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне регрессионных моделей 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, 2010, 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 20 печатных работах, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на страницах, состоит из введения, 7 глав и 5 приложений. Список использованной литературы включает 240 наименований, в том числе 50 на иностранных языках. Текст иллюстрирован 35 таблицами и 20 рисунками.
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Проблема загрязнения окружающей среды стоит в ряду важнейших экологических проблем, связанных с антропогенным воздействием на биосферу (Венчиков, 1962; Носырев, 1962; Альберт, 1971; Фоменко, Стрекалова, 1973; Воrtitz, 1974; Кулагин, 1974; Фимушин, 1976; Гудериан, 1979;
Оценка и прогнозирование ответной реакции биоты на воздействие загрязнения является важнейшей, но методически недостаточно обеспеченной задачей экологического мониторинга. Поэтому представленные результаты изобилуют множеством подходов и методологий (Антипов, 1975;
Армолайтис, Вайчис, 1986; Шяпетене, Вянцкус, 1986; Скуодене, 1988; Бабушкина и др., 1990; Менщиков, 1991; Калинин и др., 1991; Shavnin et al., 1997). При анализе зависимостей «доза-эффект» в наземных экосистемах установлен нелинейный характер реакции биоты на токсическую нагрузку (Арманд и др., 1991; Салиев, 1988; Воробейчик и др., 1994; Воробейчик, Хантемирова, 1994; Воробейчик, 2004), и имеет место гистерезисный (Ведюшкин, 1989), или триггерный эффект (Алексеев, 1976).
Интегральным показателем, адекватно отражающим реакцию деревьев на загрязнения, является текущий прирост древесины. В годичных кольцах содержится ретроспективная информация о динамике развития древостоя (Lux, 1965; Лиепа, 1980; Keller, 1980; Neumann, Schieler, 1981;
Neumann, Pollanschtz, 1982; Розенберг, Феклистов, 1982; Athari, Kramer, 1983; Мауринь, Раман, 1986; Махнев и др., 1990; Кучеров, Мулдашев, 2003; Горшков и др., 2006; Катюнин, Горшков, 2009). Однако нет единого подхода к сбору и обработке дендрохронологической информации (Ловелиус, 1979; Шиятов, 1986; Барткявичюс, 1987; Njd, Kauppi, 1995; Forest…, 2000; Рунова и др., 2005; Ярмишко, Ярмишко, 2004). Кроме того, становится все сложнее вычленить долю естественных изменений радиального прироста деревьев от тех, которые обусловлены интенсивной деятельностью человека (Мешковский, 1984; Ловелиус, Ярмишко, 1990; Ярмишко, 1997; Кучеров, Мулдашев, 1996, 2003; Ярмишко и др., 2009).
В одних случаях обнаружена линейная связь между степенью дефолиации и снижением прироста (Фимушин, 1979; Kenk, 1984; Венк, 1987;
Kenk et al., 1988; Soderberg, 1991), а в других – утверждается, что радиальный прирост деревьев не изменяется даже при потере ими 50-60% хвои (Eckstein et al., 1989; Лесные…, 1990). А.С. Алексеев (1993) объяснил, что при слабой дефолиации имеет место буферная стадия процесса, характеризующаяся слабой зависимостью прироста от степени повреждения.
Поскольку одними дендрометрическими методами невозможно оперативно оценить степень нагрузки на растения, особенно при действии низких концентраций выбросов, изучаются ассимиляционные или репродуктивные органы, которые наиболее чувствительны к атмосферному загрязнению (Кулагин, 1974; Карпенко, 1981; Десслер, 1981; Ulrich, 1983;
Ковалев, 1990; Бабушкина и др., 1990; Ужегова и др., 1990; Габукова и др., 1991; Барахтенова, 1995; Фуксман и др., 1996; Шавнин и др., 1996; Аникеев, 1996; Юсупов. 1996; Тарбаева, 1997; Судачкова, 1998; Власенко, 1999;
Теребова и др., 2000; Менщиков, Власенко, 2000; Торлопова, Робакидзе, 2003; Осколков, Воронин, 2003; Феклистов и др., 2005; Ярмишко, 2009;
Валетова, 2009; Низаметдинов, 2009; Зарубина, 2011). Поскольку установлено увеличение плотности охвоения побегов при увеличении загрязнений (Ярмишко, 1997; Зарубина, 2011; Тарханов, 2011), но при этом снижается охвоенность крон деревьев (Сидаравичюс, 1987; Ярмишко, 1990; Brassel, Schwyzer, 1992), то эти противоположные тенденции накладываются одна на другую, и в результате достаточно четкие закономерности на уровне деревьев не всегда выявляются (Бергман, 2011). В условиях магнезитового загрязнения на Южном Урале показано, что с возрастанием уровня загрязнения снижается надземная фитомасса в культурах березы (Завьялов, 2009). Однако по вопросу устойчивости березы к атмосферным выбросам существуют противоречивые мнения (Красинский, Князева, 1950; Гроздов.
Известная с конца XIX века взаимосвязь массы хвои с объемным приростом (Hartig, 1896; Burger, 1929; Busse, 1930; Коссович, 1940; Георгиевский, 1948; Полякова, 1954; Satoo, 1970; Albrektson, 1980; White, 1993) и пайп-модель (Jaccard, 1913; Huber, 1928; Yamaoka, 1952; Shinozaki et al., 1964; West, Wells, 1990) в различных сочетаниях используются при оценке жизнеспособности деревьев (Waring, 1987; Waring et al., 1980; Сидаравичюс. 1985; Kaufmann, Watkins, 1990; Horntvedt, 1993; Усольцев, 1998).
В.А. Усольцев (1998) показал, что продуктивность массы хвои в сосняках Урала (зона умеренного загрязнения) на 17-18% ниже, чем в Тургае («чистая» зона).
При исследовании биологической продуктивности лесов большое значение имеют данные о плотности и содержании сухого вещества в фитомассе деревьев, или о ее квалиметрических показателях (Исаева, 1963;
Поздняков, 1973, 1985; Полубояринов, 1976; Смоляк и др., 1978; Успенский, 1980; Усольцев, 1988; Мелехов и др., 2003), изменяющихся в градиенте аэрозагрязнений (Усольцев и др., 2010, 2011).
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ
Леса, подверженные воздействию КМК, находятся в ведении Кыштымского лесничества Челябинской области. Согласно лесорастительному районированию Б.П. Колесникова с соавт. (1973) территория отнесена к южноуральской провинции горно-таежных и смешанных лесов, а более обширная центральная часть - к провинции предгорных березово-сосновых лесов. В диссертации описаны климатические и лесорастительные условия района, гидрография и гидрологические условия, рельеф и почвы. Приведены основные показатели лесного фонда, описано состояние загрязненных насаждений в окрестностях КМК.
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКА И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ
В естественных спелых березовых насаждениях, примыкающих к КМК, заложены 34 временные пробные площади согласно ОСТ 56-69- “Пробные площади лесоустроительные” (табл. 1).
Таксационная характеристика древостоев пробных площадей, заложенных в березовых насаждениях в градиенте загрязнений от КМК Породдревосостав L*, Породдревосостав L*, * L – здесь и далее расстояние от источника загрязнений.
Для определения фитомассы деревьев и древостоев взяты 56 модельных деревьев в возрасте от 30 до 86 лет. После рубки ствол делили на 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 168 дисков на относительных высотах 20, 50 и 80% от общей высоты дерева и определены у каждого масса с точностью до 0,1 г и объем древесины и коры. Определена их плотность и содержание сухого вещества.
После обрубки ветвей всю крону взвешивали с точностью до 50 г и делили на облиственные и не облиственные ветви. Затем облиственные ветви взвешивали с точностью до 50 г, отбирали навеску (около 0,5 кг) для установления соотношения листвы и скелетных частей и взвешивали с точностью до 1 г. Листву в навеске отделяли от скелета и взвешивали. По установленным соотношениям определяли фитомассу листвы и скелета кроны. Общее количество взятых навесок листвы и ветвей – соответственно 56 и 56. По полученным значениям рассчитывали абсолютно сухую массу листвы и ветвей дерева. Древесину и кору дисков, навески листвы и ветвей сушили до постоянной массы при температуре 100-105ОС.
Таким образом, в нашем исследовании принят лесотаксационный подход, основанный на «древоизмерении» методами традиционной (Анучин, 1982) и весовой (Успенский, 1983; Поздняков, 1985) таксации.
Показатели биопродуктивности подроста и подлеска определены с использованием методики Ботанического института РАН (Методы…, 2002) на трех мини-площадках размером 55 м в пределах каждой пробной площади (табл. 2).
Количество модельных растений нижнего яруса, взятых для определения их фитомассы и первичной продукции Подрост Подлесок 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 214) 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 100С до постоянной массы. У корневой шейки по годичным кольцам определяли возраст, делением на который полученной массы скелетной части растения определена ее первичная продукция.
У растений высотой более 0,5 м секатором отделяли облиственные побеги, из их общего количества (средняя часть кроны) брали навеску массой около 500 г, взвешивали; у нее отделяли листву и повторно взвешивали. Затем листву и остальную часть навески сушили и рассчитывали содержание сухого вещества в обеих фракциях. По их значениям определяли сухую массу фракций всего растения. Первичную продукцию скелетной части рассчитывали аналогично выше приведенной методике. Полученные значения скелетной части и листвы каждого вида соотносили с их суммой площадей сечений и затем по общей сумме площадей сечений, полученной перечетом на мини-площадках, находили фитомассу скелетной части и листвы и переводили ее на 1 га регрессионным методом (Усольцев, 1985).
Мы признательны сотруднице Уральского государственного лесотехнического университета к.с.-х.н. А.В. Бачуриной, любезно предоставившей нам некоторые таксационные материалы и данные о фитомассе живого напочвенного покрова, а также сотрудникам Института экологии растений и животных УрО РАН Е.Л. Воробейчику и М.Р. Трубиной, любезно предоставившим нам данные о фитомассе и ЧПП живого напочвенного покрова и мхов, а также Е.Л. Воробейчику, С.Ю. Кайгородовой, П.Г. Пищулину, А.В. Щепеткину и И. Биктимирову, предоставившим данные по индексам токсичности в градиенте загрязнений от КМК.
ГЛАВА 4. СТРУКТУРА ФИТОМАССЫ И ЧПП ДЕРЕВЬЕВ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ В ГРАДИЕНТЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ: АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И СОСТАВЛЕНИЕ ТАКСАЦИОННЫХ ТАБЛИЦ
Для объяснения варьирования биопродуктивности, обусловленного возрастом и ценотическим положением дерева, мы применили многофакторное аллометрическое уравнение - степенную функцию, линеаризованную путем логарифмирования:
где Pi и Zi – соответственно фитомасса и ЧПП i-й фракции дерева (листвы, ветвей и ствола) в абсолютно сухом состоянии, кг; D - диаметр ствола на высоте груди, см; L – номинальная переменная (Айвазян и др., 1985), выражающая степень удаления от КМК, км. Высота и возраст дерева оказались тесно коррелированными с диаметром ствола и в (1) и (2) статистически незначимыми. Константы в (1) и (2), в основном, статистически достоверны, R2 – в пределах от 0,928 до 0,984 и лишь для ЧПП ветвей ниже – 0,876. Таблица 3, составленная на основе (1) и (2), показывает, что фитомасса листвы, ветвей, стволов и всей надземной части дерева на контроле превышает аналогичные показатели импактной зоны соответственно на 28, 33, 9 и 12%, а ЧПП соответственно на 28, 77, 70 и 44%, что свидетельствует о расхождении с аналогичными результатами по сосне в том же градиенте загрязнений, где не было выявлено достоверной закономерности (Жанабаева, 2012). Таким образом, в окрестностях КМК фитомасса и ЧПП березы реагируют на загрязнения в значительно большей степени по сравнению с сосной. Это находится в некотором противоречии с известным положением о меньшей устойчивости хвойных пород к воздействию промвыбросов по сравнению с мелколиственными (Рунова, 1999). Возможно, в данном случае речь идет о разных явлениях: на допороговых уровнях заЭлектронный архив УГЛТУ грязнений при возрастании токсичных нагрузок сосна снижает свою биопродуктивность замедленными темпами по сравнению с березой, но на предельном уровне в импактной зоне гибнет быстрее березы вследствие интенсивного поражения хвои хлорозами и некрозами (Ярмишко, 2009).
Изменение фитомассы и ЧПП деревьев березы разного диаметра в связи с удалением от КМК (по уравнениям 1 и 2, фрагмент) Листва 0,39 0,67 1,04 1,51 2,09 2,78 3,60 5,61 8, 4 Ветви 1,33 2,50 4,16 6,42 9,33 13,0 17,5 29,1 44, Ствол 16,8 29,2 45,8 67,1 93,4 124,9 162,1 254,5 372, Итого 18,5 32,4 51,0 75,0 104,8 140,7 183,2 289,2 425, Листва 0,49 0,85 1,32 1,93 2,67 3,55 4,59 7,15 10, Ветви 1,77 3,32 5,53 8,52 12,4 17,3 23,2 38,7 59, Ствол 18,4 31,9 50,1 73,3 102,0 136,6 177,2 278,2 407, Итого 20,6 36,1 56,9 83,8 117,1 157,4 205,0 324,0 477, Листва 0,387 0,667 1,04 1,51 2,09 2,78 3,60 5,61 8, 4 Ветви 0,092 0,152 0,230 0,326 0,44 0,58 0,73 1,11 1, Ствол 0,294 0,458 0,658 0,894 1,17 1,47 1,82 2,61 3, Итого 0,773 1,28 1,93 2,73 3,70 4,83 6,15 9,32 13, Листва 0,494 0,850 1,32 1,93 2,67 3,55 4,59 7,15 10, Ветви 0,163 0,270 0,408 0,578 0,78 1,02 1,30 1,96 2, Ствол 0,500 0,780 1,12 1,52 1,98 2,51 3,09 4,44 6, Итого 1,16 1,90 2,85 4,03 5,43 7,08 8,98 13,6 19, Поскольку выводы исследователей о возможности построения «всеобщих» моделей фитомассы, применимых на межрегиональном, региональном и локальном уровнях, противоречивы и неопределенны (Pastor et al., 1984; Freedman, 1984; Lehtonen, Vayred, 2002; Wirth, 2004), для суждения о возможности или невозможности использования модели фитомассы деревьев в качестве «всеобщей» мы провели анализ смещений аллометрических моделей подеревной фитомассы естественных березняков из разных регионов (Усольцев, 1997) с целью установления их региональных расхождений. Общее количество модельных деревьев - 658. Полученный нами массив данных о фитомассе деревьев березы вблизи КМК взят в качестве базового для сравнений. Для оценки региональных смещений в величине фитомассы равновеликих деревьев принята регрессионная модель:
lnPi = a0 +а1lnD +а2lnН +а3(lnD)(lnН) +а4Х1+а5Х2+а6Х3+а7Х4+а8Х5, (3) где Pi - масса i-й фракции дерева, кг; D и Н – диаметр и высота ствола, соответственно в см и м; Х1…Х5 - фиктивные блоковые переменные, которыми закодирована региональная принадлежность данных о фитомассе деревьев, выполненная по специальной схеме (Дрейпер, Смит, 1973). Поскольку установлено (табл. 4), что фитомасса листвы березы смещена в «чистых» регионах по отношению к Карабашу в интервале от -47 до +55% и ветвей – от -28 до +43%, можно сделать вывод, что использовать унифицированные аллометрические уравнения для определения фитомассы крон деревьев в естественных березняках разных регионов нельзя.
«