Содержание к диссертации
Введение
Общая характеристика работы 4
1 Состояние вопроса исследования 9
2 Объекты, методы и объёмы исследований 24
2.1 Объекты исследований 24
2.2 Цель, задачи, методы и объёмы исследований 24
2.2.1 Цель и задачи исследований 24
2.2.2 Методы исследований и объём работ 25
3 Характеристика района исследований 33
3.1 Климатическая и ландшафтная характеристика 33
3.2 Характеристика лесного фонда района исследований 40
3.3 Характеристика экологического состояния территории исследования .44
4 Состояние пригородных лесонасаждений и факторы их дестабилизации ...53
4.1 Факторы, дестабилизирующие состояние пригородных лесов 53
4.2 Зонирование лесонасаждений по степени воздействия дестабилизирующих их состояние факторов 59
4.3 Состояние древостоев в выделенных зонах воздействия антропогенных факторов 66
5 Использование биоиндикаторов состояния фитоценозов на антропогенно модифицированных территориях 70
5.1 Биометрические показатели ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной как индикатор состояния лесонасаждений вблизи урбанизированных территорий 70
5.1.1 Индикация состояния лесонасаждений с помощью биометрических показателей хвои 70
5.1.2 Поражённость хвои некрозами 78
5.2 Стабильность развития ассимиляционных органов древесных растений в пригородных насаждениях 87
5.3 Состояние эпифитных лихеносообществ 93
5.4 Влияние различных антропогенных факторов на популяционные характеристики подроста и подлеска 102
5.5 Состояние живого напочвенного покрова в зонах различной степени негативного воздействия факторов урбанизированной среды 112
5.6 Информативность биоиндикаторов состояния лесной среды 122
5.6.1 Информативность основного биоиндикатора 124
5.6.2 Информативность дополнительных биоиндикаторов 126
6 Выводы и рекомендации 131
6.1 Выводы по результатам исследований 131
6.2 Рекомендации 132
Заключение 136
Список литературы
- Цель, задачи, методы и объёмы исследований
- Характеристика лесного фонда района исследований
- Зонирование лесонасаждений по степени воздействия дестабилизирующих их состояние факторов
- Индикация состояния лесонасаждений с помощью биометрических показателей хвои
Цель, задачи, методы и объёмы исследований
В настоящее время, в связи с постоянно растущим воздействием на лесные экосистемы, биоиндикационные методы оценки состояния окружающей среды приобретают всё возрастающую значимость.
Для оценки экологической обстановки территории используют: - санитарно - гигиенические нормативы для воды, почвы и воздуха. Пре вышение пределов допустимых нагрузок служит основанием для отрица тельной оценки состояния окружающей среды. - биологическую оценку среды обитания, основанную на анализе со стояния сообществ и отдельных особей находящихся, либо помещённых в исследуемую среду. Данный подход предполагает использование биологиче ских методов, которые можно назвать прямыми или интегральными метода ми оценки экологической обстановки, так как они дают суммарную оценку состояния экосистемы. Последние методы иногда называют методами биоди агностики окружающей среды (Смит, 1985; Трешоу, 1988; Нурмеев, 2005).
Биодиагностические методы оценки экологической обстановки в свою очередь делят на две группы — биоиндикации и биотестирования. Объектами исследования первых являются организмы или сообщества организмов -биоиндикаторов, наблюдаемые в естественных условиях обитания. Вторыми — изучается реакция организмов (тест - объектов), специально внесённых в исследуемую среду (Нурмеев, 2005). Так, наряду с традиционными приёмами лихеноиндикации чистоты воздушной среды, существует возможность применения её трансплантационного варианта. Он состоит в том, что слоевище одного или нескольких лишайников вместе с субстратом трансплантируются в районы обследования (Красногорская, Легушс, Миннулина и др., 2003; Пилипенко, 2008). Однако, Е.Ю. Кулябина (2003) считает, что лихеноинди-кационная трансплантация применима для оценки качества атмосферного воздуха лишь между территориями, существенно различающимися по степени антропогенной трансформации.
Существуют различные определения термина биоиндикация. По мнению Д.А. Криволуцкого (1988): «Биоиндикация - это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений». По Н.Ф. Реймерсу (1990): "Биоиндикатор: группа особей одного вида или сообщество, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей. Сообщество индикаторное — сообщество, по скорости развития, структуре и благополучию отдельных популяций (микроорганизмов, грибов, растений и животных) которого можно судить об общем состоянии среды, включая ее естественные и искусственные изменения".
Изменение гомеостаза отражает базовые изменения функционирования живых существ, и находит выражение в процессах, протекающих на разных уровнях, от молекулярного до организменного, что соответственно может быть оценено по различным параметрам с использованием различных методов. Принципиальная общность процессов гомеостаза у живых существ позволяет использовать для биоиндикации самые разные виды животных и растений (Адамович, 1999, Гавриков, 1999; Сазонова, Колосова, 1999; Allen-bach, Sullivan, Lyary, 1999; Захаров, 2000; Радаев, 2000; Устюжанина, 2002; Гелашвили, 2004; Ялковская, 2007; Солдатова, 2007). В исследованиях фито-ценозов чаще используют показатель флуктуирующей асимметрии (ФА) листьев древесных пород (Захаров, 2000, Шестакова, Стрельцов, Константинов, 2000; Ветчинникова, 2005; Рыхлова, 2005; Солдатова, 2007; Марченко, Шошин, 2007).
Одним из перспективных направлений оценки качества природной среды является поиск методологических подходов определения состояния живых организмов при всём комплексе существующих воздействий (в т.ч. антропогенных), позволяющих выявить отклонение от нормы. Это невозможно при использовании специфических тестов, улавливающих отклик лишь каких-то определённых воздействий (Марченко, 2005). Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом их комплексного характера и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах сообществ. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза (Биоиндикация: теория, методы..., 1994).
По мнению Б.К. Нурмеева (2005) различают следующие методы биоиндикации: визуальный; морфогенетический; популяционные и экосистемные; патологоанотомические, гистологические и эмбриональные; иммунологические и генетические. Международная программа (МСБН) «Биоиндикаторы» делит их на шесть групп в соответствии с шестью биологическими дисциплинами: микробиологические, ботанические, зоологические, генетические, физиологические и гидробиологические (Булохов, 1996, 2004).
В настоящее время, помимо тестирования и компонентной биоиндикации (по одному или нескольким компонентам экосистем), развивается и ландшафтная индикация, как более сложный вид биоиндикации, требующий, помимо установления компонентов-биоиндикаторов, поиска показателей нарушенности вертикальных и горизонтальных связей в ландшафтах (Викторов, Чекишев, 1990; Дончева, Казаков, Калцуков, 1992, Шелухо, 2002).
Различают индикаторные организмы и аккумулирующие организмы. Индикаторные организмы — организмы, у которых могут появиться явные симптомы воздействия, свидетельствующие о присутствии в среде одного или нескольких загрязняющих веществ. Выделяют специфическую (конкретная реакция на определённый загрязнитель) и неспецифическую биоиндикацию (Гудериан, 1979).
Характеристика лесного фонда района исследований
Исходя из ландшафтной карты «Ландшафты Ю-3 Европейской части России» (1994), Дятьковский район Брянской области занят бореальными гумидными подтаежными ландшафтами низменных и возвышенных платформенных равнин.
Ландшафты низменных платформенных равнин представляют собой закарстованные низинные подтаежные полесья водно-ледниковые и озерно-водно-ледниковые плоские и слабоволнистые равнины, сложенные плохо сортированными песками с линзами суглинков и глин, подстилаемые моренными суглинками и глинами, с дерново-подзолистыми почвами. Характерные урочища - волнообразные повышения, сложенные эолово-водно-ледниковыми песками. Ландшафты возвышенных платформенных равнин представляют собой высокие подтаежные предполесья - пологоволнистые водно - ледниковые равнины, сложенные песками, супесями, реже суглинками, подстилаемые валунными суглинками днепровского оледенения с дерново слабо и среднеподзолистыми, местами светло - серыми, супесчаными поч вами. Характерные урочища - карстово-суффозионные западины с осоково-хвощевыми болотами.
Характеристика лесного фонда района исследований На момент последнего лесоустройства (2002...2005 г.) лесничества, в которых проводили исследования, имели следующие площади: Калужское -53531 га; Людиновское - 29896 га; Дятьковское — 80981 га и включают в себя от трёх до семи участковых лесничеств, площадью от 1639 га до 13322 га (Проект организации и...2002, 2004, 2005).
Области районов исследований характеризуются следующей средней лесистостью: Калужская - 43%; Брянская - 32%.
На основании Лесного кодекса РФ (2007) лесной фонд отнесен к следующим лесам по целевому назначению: - защитные леса (леса, расположенные на особо охраняемых природных территориях; леса расположенные в водоохранных зонах; леса выполняющие функции защиты природы и иных объектов; ценные леса) (27...94,5% от площади лесного фонда); - эксплуатационные леса (5,6.. .73% от площади лесного фонда).
В таблице 3.2 представлено распределение общих площадей лесного фонда лесничеств по целевому назначению и категориям защитности.
В Калужском лесничестве леса зелёной зоны составляют 78,6% от общей площади лесного фонда, в Людиновском их доля меньше и составляет 27%, в Дятьковском - 7,6% от общей площади лесного фонда лесничества.
Покрытая лесом площадь лесного фонда Агентства лесного хозяйства по Калужской области в основном представлена популяциями древесных растений естественного происхождения (78,4%). Преобладающими лесообразую-щими породами являются берёза - 38,2% и ель - 26,2% (Обзор состояния лесов. .., 2005; Доклад о состоянии..., 2008). Таблица 3.2 - Распределение площади лесного фонда исследуемых лесни честв по целевому назначению и категориям защитности
Целевые леса и категории защитности Лесничества / площадь, га/% Калужское Людиновское Дятьковское Леса 1 и 2 поясов зон санитарной охраны источников водоснабжения Леса зелёных зон, поселений и хозяйственных объектов,всего В том числе:- лесопарковая часть зелёной зоны- лесохозяйственная часть зелёной зоныДругие защитные лесаИтого защитных лесов Эксплуатационных лесов 2988/5,642097/78,613507/25,2 28590/53,45457/10,2 50542/94,42989/5,6 806726,91256/4,2 6811/22,8 5394/18,0 13461/45,0 16435/55,0 6129/7,6684/0,85445/6,715697/19,421826/27,059155/73,0
Всего по лесничеству 53531/100 29896/100 80981/100 В частности в исследуемых лесничествах Калужской области преобладающими являются следующие породы: сосна занимающая 12,2... 16,8% лесопо-крытой площади; ель - 22,8...27,8%; берёза - 32,6...37,3% и осина, занимающая 14...20,7%. Средний состав насаждений Калужского лесничества — 4Б20с2Е2С+Дн, Д, Лип, Ив. Средний состав насаждений Людиновского лесничества- ЗБ20с2Е2С1Д+Дн, Кл, Лип, Я, Олч, Ив, Л, К.
В лесах Брянской области (общая площадь около 1234 тыс. га) почти половину площади занимают хвойные породы (48%), из лиственных преобладают мягколиственные (46% ), твёрдолиственные занимают 6% (Государственный доклад..., 2008). В Дятьковском лесничестве преобладающими породами являются: берёза — 46,7%; ель — 25,1% и сосна — 12,8%; ольха чёрная — 10,5%. Средний состав насаждений Дятьковского лесничества — 4Б10сЮлч2Е2С+Л, Д, Дн, Кл, Лип, Т, Ив.
По «Ландшафтно-рекреационному районированию (ЛРР) Брянской области» (Ахромеев, Данилов, 1988) Дятьковский район относится к группе ЛРР полесий и предполесий к Ветьма-Деснянскому ЛРР. Ветьма-Деснянский ЛРР включает в себя Ивотское, Старьское и Дятьковское полесья. Полесья характеризуются сложной ландшафтной структурой с преобладанием слабоволнистых междуречий. Распределение площадей покрытых лесом земель для основных лесооб-разующих пород по классам бонитета приведено в приложении Б-1.
В лесничествах средний класс бонитета основных лесообразующих пород следующий: по хвойному хозяйству средний класс бонитета высок и варьирует в пределах - 1а,8...1з1; по твёрдолиственному хозяйству он ниже, и составляет I5...III; мягколиственное хозяйство характеризуется высоким средним классом бонитета - Іа,8...І,2. В среднем по лесхозам усреднённый класс бонитета составляет - 1а,8..Л,2, что указывает на высокие потенциальные возможности условий произрастания.
В приложении Б-2 отражено распределение площади покрытых лесом земель лесничеств по группам возраста.
В лесничествах Калужской области преобладающими являются спелые и перестойные насаждения, составляющие 35,6...39,8% от лесопокрытой площади. Это связано, прежде всего, с низким освоением лесосечного фонда по мягколиственному хозяйству. Наименьшую площадь занимают молодняки -11,5... 17,2% (приложение Б-2).
В Дятьковском лесничестве средневозрастные насаждения доминируют и занимают 37,45% лесопокрытой площади. Общая доля спелых и перестойных насаждений мала и составляет 19,4% от лесопокрытой площади.
Хвойные молодняки, I класса природной пожарной опасности (по И.С. Мелехову) в лесничествах занимают незначительную площадь, составляющую от 9,9% до 17,22%) от общей лесопокрытой площади.
Обобщая выводы, сделанные при анализе данных приложения Б-2, можно утверждать, что ни в одном из рассматриваемых лесничеств распределение насаждений по группам возраста не соответствует понятию «нормальный лес». Близко к нему распределены насаждения Дятьковского лесничества.
Зонирование лесонасаждений по степени воздействия дестабилизирующих их состояние факторов
Выявлено уменьшение коэффициента вариации длины хвои первого и второго годов с уменьшением степени негативного воздействия (табл. 5.1...5.3). В зоне сильного воздействия на близком расстоянии от источника выбросов возрастает роль индивидуальной изменчивости ростовых точек деревьев, что повышает вариацию размеров хвои при интенсивном воздействии аэрополлютантов. С уменьшением степени воздействия длина хвои становится гомогенной и зависит от состояния дерева и соответствия песорасти-тельных условий требованиям растения.
При анализе таблицы 5.3 установлена корреляционная связь длины хвои первого года с расстоянием до источника выбросов г= 0,52±0,237. Достоверность величины преобразованного коэффициента корреляции равна tz=2,16 (tstw%=l»78), что позволяет считать связь значимой. Корреляция длины хвои последующих годов с расстоянием до источника выбросов не существенна.
Выявлена зависимость средней длины хвои первого года и, в некоторых случаях, второго года от степени негативного воздействия (рис. 5.1.. .5.3), которая описывается полиномом второй степени с высоким уровнем аппроксимации данных, что также согласуется с приведенной ранее взаимосвязью.
При анализе данных по пригородным насаждениям г, Людиново построена регрессионная зависимость длины хвои (L) от суммарной концентрации загрязнителей (доля от ПДКмр): D - NO2; В — SO2; С - взвешенных веществ; Р — относительной полноты и А — возраста, которая выражена в уравнении:
Множественный коэффициент корреляции R= 0,81, коэффициент детер-минации R"= 0,66, критерий Фишера F(3,08) Рзнач.(0,08), что подтверждает наличие взаимосвязи с достоверностью 95%. У хвои старших возрастов корреляция изучаемых ларамегров ниже.
Установлена зависимость длины хвои первого года жизни от стадии рекреационной диірессии насаждения. Корреляция длины хвои первого года со стадией рекреационной дигрессии составляет г= -0,84±0,310. Достоверность величины преобразованного коэффициента корреляции равна tz= 1,74 (tst8o%= 1,64), что подтверждает ранее проведенные исследования (Таран, Спиридонов, 1977; Швалёва, 2008).
Хвоя 1 - го года сильнее реагирует на более интенсивное рекреационное воздействие, а хвоя второго года - даже па незначительные отклонения нагрузки от нормы. Различие средних величин длины хвои первого года между второй и третьей стадиями рекреационной дигрессии находится на 99% уровне значимости: Ц= 2,70; tsm%= 2,61. Этот же уровень значимости обеспечивает различие средней длины хвои второго года между первой и второй стадиями рекреационной дигрессии: Ц= 3,38; 1 99%= 2,60. Различие изучаемого показателя в пределах указанных зон в других случаях не существенно.
Установлена зависимость длины хвои первого года от показателя жизненного состояния древостоя (рис. 5.4). Величина ЖСД Дшшые с УП г. Ліодиново Данные с УП г. Калуга Данные с УП г. Дятьково Рисунок 5.4. - Зависимость длины хвои первого года от жизненного состоя ния насаждения. Значение коэффициента детерминации (R = 0,41...0,91) подтверждает наличие связи. Выявлена корреляция длины хвои первого года с ЖСД. В зависимости от объекта и типа воздействия негативного фактора она варьирует в пределах 0,64...0,96 и достоверна на 68...95% уровне значимости. Из этого следует, что вне зависимости от вида негативного воздействия, при улучшении жизненного состояния древостоя длина хвои первого года, а, следовательно, и её ассимиляционная поверхность увеличиваются, что подтверждает индикаторную ценность данного показателя.
Поражённость хвои некрозами Видимым результатом воздействия токсикантов на растения является не только уменьшение ассимиляционной поверхности, но и появление на ней хлорозов и некрозов (Смит, 1985; Шелухо, 2001; Смирнова, Маракаев, 2002).
Мы изучали интенсивность заболевания и отмирания хвои в зависимости от степени воздействия промышленных выбросов в ранее выделенных зонах (табл.5.4, 5.5).
Основная масса повреждений представлена точечными некрозами. В исследованных выборках преобладают некротические участки, расположенные в верхней половине хвоинок (до 80% повреждённой хвои). Верхушечные и краевые некрозы встречаются у 20% повреждённой хвои, причём встречаемость их растёт с увеличением возраста хвои и усилением интенсивности воздействия поллютантов. Преимущественное положение отмерших участков в верхушечной части хвои подтверждает литературные данные о большей повреждаемости хвои 1-го года жизни в период её интенсивного роста (Рябинин, 1965; Кулагин, 1974; Десслер, 1981; Смит, 1985; Шелухо, 2001,).
Выбросы кислой природы вызывают уменьшение толщины воскового налёта хвои (Трешоу, 1988), что, как следствие, способствует образованию и увеличению площади некротических участков, особенно у хвоинок 1 -го года жизни (имеющих тонкую кутикулу), а в последствии - к уменьшению срока жизни хвои и площади ассимиляционного аппарата дерева, что сказывается на ростовых процессах и биологической устойчивости древесных растений.
Поражён ность хвои некрозами связана с интенсивностью воздействия токсикантов. С усилением влияния заірязняющих веществ происходит достоверное увеличение встречаемости некрозов (рис. 5.5, 5.6; табл. 5.4, 5.5).
Средняя по зоне: 1,2±0,26 4,0 2,5±0,40 10,0 2,0±0,38 20,0 Средняя встречаемость некрозов при воздействии поликомпонентных выбросов, в зависимости от зоны составляет: на хвое 1-го года — 7%; 2-го года — 13,9%; 3-го года - 21,4%. При воздействии более токсичных фтористых выбросов встречаемость некрозов значительно выше. На хвое 1-го года жизни встречаемость некротичных участков в 4,6 раз больше; на хвое 2-го года в 3 раза; 3-го года - в 2,4 раза.
Существенность различия встречаемости некрозов между зонами составляет 90...99% у хвои первого года; 68...95% - хвои второго года и 85...99% хвои третьего года (приложение Г-2, Г-3). При изученных видах воздействия аэрополлютантов не выявлено значимого статистического различия между фоновой зоной и зоной слабого воздействия, что связано с малой чувствительностью данного индикатора к низким дозам токсикантов.
Индикация состояния лесонасаждений с помощью биометрических показателей хвои
При усилении рекреационного воздействия в березняке подлесок меняет свою густоту (с 3066,7 шт/га до 550 шт/га) и переходит из катешрии средней густоты в редкий, что является результатом уплотнения почвы и механического уничтожения подлеска рекреантами и согласуется с литературными данными (Казанская, Лапина, Марфенин, 1977; Таран, Спиридонова, 1977; Таран, 1985). Во всех зонах преобладает средний по крупности подлесок (39,7...45,5%). В составе подлеска с усилением воздействия уменьшается долевое участие крушины ломкой (с 3,4 до 1,8 единиц в составе), как менее устойчивой к рекреационному воздействию, растет встречаемость можжевельника (с 0,3 до 2,7 единиц).
Являясь подчинёнными компонентами фитоценоза, подрост и подлесок опосредованно (через изменение состояния насаждений) реагируют на азро 111 техногенное загрязнение и имеют непосредственный отклик на рекреационное воздействие.
Таким образом, при воздействии поликомпонентных выбросов на сосняки сложные и фтористых выбросов на ельники кисличные с увеличением интенсивности воздействия происходит увеличение густоты подроста и подлеска, вызванное дополнительным притоком солнечного света через разреженный древесный полог. Теневыносливый подрост и подлесок сосняка постепенно сменяется светолюбивыми породами, начинает преобладать крупный и средний подрост и подлесок.
При интенсификации рекреационного воздействия на сосняки и березняки сложные происходит уменьшение густоты подроста и подлеска. Начинает доминировать мелкий благонадёжный светолюбивый подрост. Неустойчивые к воздействию подлесочные породы (крушина ломкая) сменяются колючим кустарником можжевельника.
Учитывая широкую вариацию изучаемых параметров подроста и подлеска, их опосредованную реакцию на некоторые виды антропогенного воздействия, ввиду соподчинённости, не целесообразно использование данных компонентов фитоценоза в качестве биоиндикатора степени его антропогенной нарушенности, возможно лишь использование некоторых популяцион-ных характеристик для определения степени рекреационной нагрузки на насаждения.
Состояние живого напочвенного покрова в зонах различной степени негативного воздействия факторов урбанизированной среды
Живой напочвенный покров (ЖНП) — один из наиболее пластичных компонентов лесных биогеоценозов. Его биоразнообразие и степень развития зависят, в основном, от почвенных, гидрологических условий и освещённости. На видовое соотношение влияют степень хозяйственного воздействия на древостой, непосредственное воздействие на напочвенную растительность и верхние горизонты почвы (Булохов, 1996. 2004; Шелухо, 2001). Автотроф-ный характер метаболизма растений делает их хорошим биоиндикатором антропогенного воздействия на экосистему.
Рекреационные нагрузки (через вытаптывание) влияют в первую очередь на нижний ярус фитоценоза, поэтому индикатором степени рекреационной дигрессии может служить определённый состав и состояние ЖНП (Казанская, Лапина, Марфенин, 1977; Таран, Спиридонова, 1977; Таран, 1985; Ры-син и др., 2003; Рысин и др., 2004).
При промышленном воздействии на лесные экосистемы аэрополлютан-ты оказывают влияние как непосредственно на растения ЖНП, так и косвенно - через изменение реакции среды. (Соломников, 1997, 1999, Шелухо, 1997,2001,2002).
Оценка местообитаний по экологическим шкалам Эленберга позволяет выявлять изменения условий, так как они отражаются на растительности (Булохов, 1996,2004).
Исследования проводили в конце июля — начале августа, когда травяной покров достигает своего полного развития. В пригородных насаждениях г. Людиново было заложено 13 УП, г. Калуга - 12 УП, г. Дятьково - 26 УП.
Анализировались усреднённые в пределах ранее выделенных по состоянию пород эдификаторов зон воздействия показатели ЖНП. В таблице 5.16 представлены результаты статистической обработки полученных результатов. Для УП в пригородных насаждениях г. Калуги дополнительно анализировались данные в пределах зон с различной стадией рекреационной дигрессии, ввиду некоторого несоответствия зон негативного воздействия по состоянию древостоев и стадий рекреационной дигрессии. Для зоны фонового воздействия преобладающей является первая стадия рекреационной дигрессии, для зоны слабого - вторая, умеренного — третья (табл. 5.17).
