Содержание к диссертации
Введение
1. ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЛЕСНЫЕ БИОГЕОЦЕНОЗЫ
1.1. Особенности мониторинга лесных экосистем 8
1.2. Масштабы повреждений 13
1.3. Способы оценки деградации хвойных насаждений 23
1.4. Изменение почв хвойных лесов при различных антропогенных воздействиях
1.5. Техногенные сукцессии в хвойных лесах 26
1.6. Выводы 28
2. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 29
3. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ 33
3.1. Характеристика климатических условий 33
3.2. Характеристика промышленных выбросов 37
3.3. Характеристика состава и свойств почв 41
3.4. Экологическое состояние лесов 43
3.5. Выводы 47
4. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИНСКОГО ДРЕВОСТОЯ 48
4.1. Состояние основных лесообразующих пород 48
4.2. Влияние промышленных выбросов на ход роста насаждений 55
4.3. Влияние промышленных выбросов на таксационные показатели древостоев
4.4. Исследование почв территории промышленного воздействия 78
4.5. Выводы 85
5. ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ДРЕВОСТОЕВ ВТОРОЙ ГЕНЕРАЦИИ 86
5.1. Об шее состояние мол од няков 86
5.2. Влияние промышленных выбросов на ход роста молодняков 97
5.3. Исследования распределения влаги в стволах деревьев 103
5.4. Прочие причины, оказывающие отрицательное влияние на состояние молодняков
5.5. Моделирование процессов развития и деградации лесных экосистем 108
5.6. Выводы 122
6. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ТЕМПОВ ТЕХНОГЕННОЙ СУКЦЕССИИ В ХВОЙНЫХ ДРЕВОСТОЯХ ПРИАНГАРЬЯ
6.1. Выводы 128
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 131
- Особенности мониторинга лесных экосистем
- Характеристика климатических условий
- Состояние основных лесообразующих пород
Введение к работе
Актуальность работы. Сохранение лесов и повышение их продуктивности - одно из необходимых условий устойчивого развития человеческого сообщества в XXI веке. Поэтому детальное изучение лесов и их влияния на глобальные биосферные процессы должно базироваться на глубоких теоретических знаниях о динамике лесных экосистем и характере взаимодействия слагающих их компонентов. Особое внимание при этом на современном этапе уделяется лесам бореальной зоны, в которую входят леса России, североамериканских и скандинавских стран.
Бореальные леса - уникальная и исключительно динамичная и саморегулирующаяся система, при условии, если антропогенная деятельность не нарушает ее экологического равновесия. Многие ученые полагают, что гибель или даже сильная деградация бореальных лесов могут привести к катастрофическим последствиям и сделают практически невозможной жизнь на Земле в целом.
Глобальной проблемой современности является загрязнение лесов в результате различных факторов антропогенного воздействия. Одним из регионов, в котором прослеживается негативное воздействие антропогенных факторов, являются лесные массивы Приангарья.
Настоящая работа является результатом исследований по изучению процессов деградации насаждений в районе г. Братска, в котором сконцентрированы предприятия, выбрасывающие в атмосферу большое количество вредных веществ. Основным вопросом является изучение состояния древостоев второй генерации светлохвойных лесов Приангарья в зонах промышленного загрязнения.
Цель работы. Целью исследований является оценка экологического состояния второй антропогенной сукцессии с лесоводственно-таксационной точки зрения.
К основным задачам диссертационной работы относятся: - исследование степени повреждения древесной растительности в зависимости от уровня загрязнения; - исследование состояния вторичной антропогенной сукцессии светлохвоиных древостоев; - исследование относительной влажности прикамбиального слоя в стволах деревьев различной степени жизнеспособности; - разработка мероприятий по предотвращению техногенной сукцессии в хвойных древостоях Приангарья.
Научная новизна. Выявлен характер воздействия техногенного загрязнения на ход вторичных антропогенных сукцессии светлохвоиных таежных лесов Приангарья. Определено влияние промышленного загрязнения на степень жизнеспособности сосновых насаждений первой и второй генерации, на таксационные показатели древостоев. Определена взаимосвязь факторов, влияющих на жизнеспособность хвойных древостоев в зонах промышленных выбросов. Изучены закономерности распределения влаги в стволах деревьев различной степени жизнеспособности.
На защиту выносятся следующие новые научные положения
Оценка влияния промышленного загрязнения на степень жизнеспособности лесов второй генерации в районе города Братска.
Оценка состояния сложных древостоев по биоиндикационным показателям.
Моделирование процессов вторичной антропогенной сукцессии светлохвоиных лесов методом регрессионного анализа.
Рекомендации по повышению жизнеспособности лесов второй генерации в зонах промышленных выбросов.
Практическая значимость. Практическая ценность работы состоит в полученных результатах о воздействии антропогенных факторов на продуктивность и санитарное состояние древостоев первой и второй генерации в условиях длительного загрязнения, которые могут быть использованы природоохранными службами и администрацией города при проведении работ по восстановлению защитных свойств лесов Братского района.
Исследования автора выполнялись в рамках научного направления Братского государственного университета: "Мониторинг и управление экологической ситуацией Братско-Усть-Илимского ТИК", по госбюджетной теме: «Разработка и обоснование технологии лесопользования в зоне Братско-Усть-Илимского ТПК», в рамках фундаментальной НИР по единому заказ-наряду Федерального агентства по образованию РФ «Экологический мониторинг влияния лесопользования на водные ресурсы Приангарья».
Обоснованность выводов и достоверность результатов подтверждены данными исследований, обработанных с использованием методов статистики и математического моделирования, экспериментальных данных, собранных на постоянных и временных пробных площадях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях Братского государственного университета с 1996 по 2005 годы, международной научно-технической конференции «Леса Европейского региона - устойчивое управление и развитие» (г. Минск, 2002 г.), международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (г. Екатеринбург, 2003 г.), «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2002-2005 гг.), международной научно-практической конференции «Лесопользование, экология и охрана лесов: Фундаментальные и прикладные аспекты» (г. Томск, 2005 г.).
Результаты работы экспонировались на выставках-ярмарках "Сиблесопользование - 2000 -2004 " (г. Иркутск).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы.
Струїсгура диссертационной работы Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (153 источника). Она изложена на 147 страницах, включая 60 рис. и 31 табл.
Особенности мониторинга лесных экосистем
К настоящему времени очевидна масштабность и глубина деградации лесных экосистем под влиянием техногенного загрязнения. Результаты воздействия могут носить характер нарушений, бедствий или катастроф. [17, 29, 31, 40]. Древесные породы и вся лесная растительность вынуждены приспосабливаться к воздействию новых экологических факторов.
Основной предпосылкой длительного существования лесных биогеоценозов является стабильность биогеохимических циклов элементов. Продолжительное систематическое изменение действия любого средообразующего фактора и появление новых факторов неизбежно приведет к изменению параметров динамики органического вещества и круговорота элементов, смене доминирующих видов - продуцентов органического вещества, и значит, к новому со 9 стоянию биогеоценоза. В таких условиях важной проблемой является идентификация и характеристика типов состояний лесных биогеоценозов [66, 72]. Функционирование лесов индустриально развитых регионов определяется экстремальными природными условиями и продолжительным и интенсивным воздушным промышленным загрязнением.
На основе параметров биогеохимического круговорота с использованием методов факторного анализа выявлены основные типы состояния этих лесов: 1-фоновые; 2-дефолиирующие (начальная стадия); 3- дефолирующие (интенсивная дефолиация); 4- техногенные редколесья. У источников загрязнения формируется техногенная пустошь. Выделенные типы состояния характеризуются значительными изменениями в миграции элементов в системе: атмосфера -почва - растения.
Состав атмосферных выпадений в лесных биогеоценозах в условиях воздушного промышленного загрязнения определяется составом выбросов, густотой древостоя и степенью дефолиации крон древесных растений.
Кислотность, емкость катио иного обмена и особенности миграции и аккумуляции элементов в почвах обусловлены взаимодействием следующих процессов: а - динамики органического вещества; б - выпадения элементов из атмосферы и их выщелачивания из лесного полога; в - поглощение элементов живыми организмами; г - замещения основных катионов в почвенном поглощающем комплексе ионами водорода алюминия и тяжелых металлов.
Влияние воздушного загрязнения на лесные экосистемы рассматривается как основная причина нарушения питательного режима лесных растений и их повреждения. Питательный режим растений в условиях загрязнения определяется доступностью элементов в окружающей среде, антагонизмом между элементами и селективностью поглощения их растениями, а также выщелачиванием элементов из хвои. В хвое ели и сосны различных возрастных фракций увеличиваются концентрации Ni, Си, Fe, Al, N,P,K и снижаются концентрации Са, Mg, Ми и Zn.
Критерии для определения состояния бореальных экосистем, предлагаемые для практических целей (проведение мониторинга, срочные экспертные оценки и др.), отвечают следующим требованиям: а) имеют однонаправленный характер изменений; б) характеризуются относительно низким природным диапазоном колебаний (низкой вариабельностью); в) являются, с одной стороны, достаточно "чувствительными", чтобы способствовать выделению максимально возможного числа состояний биогеоценоза; с другой, достаточно устойчивыми, чтобы проследить весь ряд их антропогенной трансформации; г) определяются быстрыми и доступными для массовых исследований методами.
Сформулирована и реализуется программа мониторинговых наблюдений, включающая принципы и подходы к выбору и закладке сети пробных площадей и проведению мониторинговых наблюдений; принцип однотипности объектов исследования, принцип парцеллярного строения лесных биогеоценозов, градиентный подход. Программа также включает принципы формирования сети пробных площадей и стратегию наблюдений.
Динамический подход, провозглашенный одним из основных принципов ситуационно-картографического анализа территорий расположения городов, несмотря на, казалось бы, самоочевидность, не получил должного развития до уровней необходимой адекватности реальным экопроблемным комплексам. Кроме компонентной неполноты экологическая неадекватность широко распространенных аналитических методов проявляется и в том, что даже в отношении компонентов, привлекающих традиционно повышенное внимание и, казалось бы, достаточно хорошо исследованных, динамические принципы часто не реализуется на необходимом уровне пространственно-временной детальности. Например, "потенциал загрязнения атмосферы", "самоочищающая способность атмосферы", "метеорологический потенциал атмосферы", "климатический потенциал загрязнения атмосферы", "мезоклиматический потенциал формирования качества воздуха в приземном слое атмосферы", "потенциал рассеивающей способности атмосферы" и т.п. показатели обеспечивают лишь потребности "обзорно-стратегического" уровня проработки. Для целей же оперативно 11 управленческого свойства агрегирование соответствующей информации должно быть гораздо более детальным на основе ее кластеризации в адекватные объектно-проблемному комплексу пространственно-временные совокупности экологически значимых параметров. Для целей реального отслеживания, оценки и нормирования техногенных воздействий, реализующихся через атмосферу, необходимо не изолированное рассмотрение метеорологических элементов и явлений (средняя скорость ветра, среднее число дней с определенной влажностью и т.д.), а констеляционное - "одноместное" и "одновременное" (совмещенное в пространственно-временной реальности). Попытки "выжать" из интегральных показателей, базирующихся на усредненных частных показателях информацию, достаточную для целей оперативного прогнозирования и управления качеством среды неизбежно ведут к констатации неадекватности таких методов и необходимости перехода к классификационным построениям на основе констелляционных матриц. Реальные сочетания метеорологических проявлений нужно объединять в классы, исходя из целевой экологической задачи. Чрезвычайно важно добиваться экологически адекватного агрегирования опорной информации, отображающего значимые по экологическим последствиям различия. Индивидуализированная работа с сочетаниями параметров погоды дает основу для их последующей типологии, направленной на более полное управление экологической ситуацией в регионе. Метеорология накопила большой опыт классификационных целевых построений, в том числе в области экологически ориентированной био(антропо)климатической типологии. Корректировка такого рода построений с учетом требований определенной экологической целевой установки позволит выйти в результате на сценарную классификацию метеоситуаций (в данном случае мезоуровня). Выявление показателей повторяемости типов синоптических процессов и возможности их взаимопереходов значительно усилят оценочный и прогнозный потенциал сценарно-типологических построений. Расчленение усредненной картины местного климата на некоторое число типов (классов) погоды позволит обеспечить потребности "оперативно-тактического" уровня управления природопользованием и контроля состояния среды. Погодные сценарии имеют несомненные преимущества при реализации целей коррекции режима работы производств - агентов воздействия на среду. Приведение "масштабов" прогноза и коррекции ситуации к реальным темпам изменения среды, жизнедеятельности предприятий и целевых объектов экологического регулирования позволит выйти на новый уровень управления качеством среды. Именно соблюдение принципа пространственно-временного соответствия в соотнесении динамических параметров состояния управляемого объекта, воздействующей на него среды и управляющей структуры может обеспечить достаточную эффективность системы мониторинга, оценки и управления качеством среды. Едва ли не центральный вопрос в процессе выявления погодных сценариев для конкретной территории - выбор минимального временного интервала, сочетание метеорологических элементов, на протяжении которого и даст элементарный погодный сценарий. Здесь, прежде всего, нужно ориентироваться на целевые объекты, ради которых и разворачивается эта система. Если в качестве целевого объекта выступает человек, на которого воздействует атмосферное загрязнение, то "характерное время поражения объекта" может быть принято продолжительностью от часов до суток (в условиях катастрофических выбросов - даже и минут). Соответственно и система измерения, информирования, отчетности, реагирования должна иметь такое же временное разрешение и быть "привязана" к достаточно дробным территориальным подразделениям. Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности формирования для каждого промышленного центра реестра погодных сценариев, представляющих собой типы погод, выделенные на основе реальных пространственно-временных сочетаний метеорологических элементов и явлений и кластеризированные с учетом их экологического эффекта. "Погодный сценарий" может стать практически удобным методом представления метеорологической информации, легко адаптируем к задачам мониторинга, оценки и управления качеством среды, особенно в отношении крупных промышленных городов и их природного окружения. [12].
Характеристика климатических условий
Натурными исследованиями была охвачена лесопокрытая площадь северной части Иркутской области в районе Приангарья. Иркутская область расположена на юге Восточной Сибири, в бассейне верхнего течения рек Ангары, Лены и Нижней Тунгуски и занимает площадь 775 тыс. кв. км, что составляет 4,6% территории Российской Федерации. Протяженность области с запада на восток 1500 км, с юга на север - 1400 км.
Климат Иркутской области резко континентальный, с суровой продолжительной малоснежной зимой и теплым с обильными осадками летом. Определяется он физико-географическими условиями территории и атмосферной циркуляцией, характер которой в теплом и холодном полугодиях различен. В холодный период года над большей частью Восточной Сибири устанавливается область высокого давления - сибирский антициклон, благодаря которому во второй половине зимы преобладает малооблачная погода со слабыми ветрами и малым количеством осадков. Широкое развитие получают процессы выхолаживания, которые в сочетании с особенностями рельефа обуславливают весьма низкие зимние температуры воздуха и почвы. По мере разрушения антициклона постепенно меняется и характер погоды. В результате оживления циклонической деятельности в теплом полугодии заметно возрастает степень покрытия неба облаками, выпадает большая часть годовых осадков, усиливаются ветры. Значительная протяженность Иркутской области и сложность ее рельефа определяют большое разнообразие в распределении климатических элементов. На большей части территории области самым холодным месяцем является январь, самым теплым - июль. Разности между средними температурами самого теплого и самого холодного месяцев на большей части территории достигают 30-45 С, на севере области превышают 50 С.
Наиболее высокие дневные температуры воздуха на основной территории области достигают 35-40 С. Наиболее низкие температуры воздуха колеблются на основной территории области от -50 С на юге, до -61 С на крайнем севере; на юге до -51 С на северо-востоке.
Среднемесячные температуры поверхности почвы в зимние месяцы колеблются от -11 С до -25 С; в северных, в северо-восточных и крайних северных районах от -17 С до -37 С. Наиболее низкие температуры в отдельные дни опускаются до -50 С в южных и в юго-восточных и - 68 С в северных районах области. Наиболее высокие дневные температуры поверхности почвы повсеместно превышают 50 С, достигая в отдельных районах 60-66 С. Вместе с тем летом в отдельные дни температура поверхности почвы в ночные часы может понижаться до -I, -3 С.
Режим осадков рассматриваемой территории определяется главным образом атмосферной циркуляцией. В холодный период года над большей частью Восточной Сибири преобладает малооблачная погода с малым количеством осадков, в теплый период выпадает 65-85 % их годовой суммы. На распределение осадков заметное влияние оказывает рельеф местности- Наветренных склонах хребтов их выпадает в 2-3 раза больше, чем на остальной территории области, на подветренных - наоборот.
Число дней в году с осадками колеблется от 170-190 , в северных до 120-130 дней в южных районах области и до 100 и менее дней - на западном побережье оз. Байкал. Число дней с существенными осадками (5 мм и более) составляет на основной территории области 15-25 дней.
В годовом ходе максимум осадков приходится на июль-август и составляет 50-90 мм. В месяце минимума (февраль-март) суммы осадков, как правило, не превышают 5-10 мм, увеличиваясь в горах Восточного Саяна до 20-50 мм в месяц.
Вследствие скудности зимних осадков снежный покров в области незначителен. Максимальной высоты он достигает в марте и в среднем не превышает на основной территории 30-50 см, на севере области - 50-60, в горах - 180-190 см. Продолжительность залегания снежного покрова в северных районах около 200 дней, в горах - около 230 дней. Незначительный снежный покров и низкие зимние температуры способствуют глубокому промерзанию почвы - местами до 2 м под естественной поверхностью и до 3 м под оголенной.
В холодный период года над большей частью рассматриваемой территории преобладают ветры западного направления, в теплый - северо-западного. При антициклональним типе погоды в зимнее время над территорией области наблюдается большая повторяемость штилей. Поэтому и среднемесячные скорости ветра на основной территории, как правило, не превышают 1-3 м/с. Оживление циклонической деятельности в теплый период года над территорией Иркутской области сглаживает различия в средних месячных скоростях ветра. Повсеместно они не превышают 5 м/с.
Способность атмосферы к самоочищению значительно ухудшают туманы. Долины почти всех крупных рек Иркутской области в ночные и предрассветные часы заполняются густым туманом, часто удерживающимся до полудня. Наиболее часто наблюдаются туманы в долинах рек Ангары и Лены (до 60-85 дней в году), в долинах рек Киренги, Нижней Тунгуски и Витима отмечается 40-65 дней, в горных долинах - 20-30 дней.
Состояние основных лесообразующих пород
Сосна - главная лесообразующая порода лесов Братского района. Она занимает 45 % покрытой лесом площади (по данным лесоустройства). Из других лесообразующих пород на обследованной территории произрастает лиственница, ель, береза, осина. Наиболее сильно страдают от задымления промышленными выбросами сосна и лиственница, значительно слабее ель. Повреждение лиственных пород (березы и осины) отмечено лишь в I зоне, примерно в радиусе 3 километров от БрАЗа.
Площадь, на которой отмечено повреждение древостоев промышленными выбросами, представляет собой довольно компактный участок, несколько вытянутый по преобладающим ветрам в северо-восточном и юго-западном направлениях. В центре участка находится источник - БрАЗ. По мере удаленности насаждений от источников промышленных выбросов, у них возрастает продолжительность жизни хвои и существенно уменьшается процент сухостоя.
Характер изменений насаждений характеризуется изреженностью крон сосновых древостоев» суховершинностью, в зонах повышенной загазованности.
С момента пуска основных промышленных предприятий, площадь насаждений, поврежденных промышленными выбросами, постоянно увеличивалась. Основной пик пришелся на 1992 год, поврежденная площадь составляла более 80 %. После 1992 года наметилось снижение площади повреждения промыш 51 ленными выбросами древостоев (см рис.4.2). Площадь взрослых насаждений подверженных влиянию промышленных выбросов составляет 46215,6 га.
Для изучения влияния промышленных выбросов на ход роста насаждений был сделан анализ модельных деревьев, в насаждениях всех категорий состояния и на различном удалении от источников загрязнения. Распределение взрослых насаждений по категориям состояния представлено на рис.4.4.
Из таблицы видно, что насаждения всех хвойных пород I зоны находятся в усыхающем состоянии вследствие действия промышленных выбросов. Значительная часть их усохла и вырублена. Оставшиеся древостой располагаются по периферии южной части зоны. Лиственные породы береза и осина подвергаются угнетению промышленными отходами в I зоне, но они являются более газоустойчивыми. Ослабленные насаждения березы и осины занимают 47,8 % и 46,5 % площади занятой этими породами.
Во II зоне преобладают сильно ослабленные сосновые и лиственничные древостой. Они занимают более 60 % площади насаждений. Еловые древостой, расположенные, как правило, в понижениях по берегам рек и ручьев, т.е. в более благоприятных условиях менее повреждены. Площадь ослабленных насаждений составляет 48,8 %. Ослабленные древостой березы и осины занимают соответственно 2,7 и 1,7 % площади занятой этими породами.
В III зоне влияния промышленных выбросов преобладают ослабленные насаждения сосны и лиственницы. Они занимают около 60 % площади. В этой зоне отсутствуют полностью усыхающие древостой. Сильно ослабленные насаждения хвойных пород расположены в верхней части склонов, обращенных к источнику задымления. Ослабление лиственных пород в III зоне не отмечено.
Состояние насаждений в различных зонах влияния промышленных выбросов по данным временных пробных площадей приведено в таблице 6.
Данные временных пробных площадей показывают, что насаждения в I зоне относятся к категории «усыхающих» во II зоне — «сильно ослабленных», и в III зоне - к категории «ослабленных».
Состояние основных лесообразующих пород ухудшается по мере приближения к источникам промышленных выбросов. Существенных различий в ослаблении промышленными выбросами сосны и лиственницы в пределах одной зоны нет.
В табл. 7 приведено распределение количества деревьев по категориям состояния в зависимости от удаленности от источников промышленных выбросов в северном, западном, восточном и южном направлениях.
В восточном направлении влияние промышленных выбросов на состояние древостоев распространяется на расстояние до 35 км, что является следствием преобладания в летний период западного направления. Степень усыхания древостоев убывает по мере удаленности их от источников промышленных выбросов. На степень усыхания древостоев влияет также и рельеф местности. Особенно сильно повреждены древостой на склонах, обращенных к источникам промышленных выбросов.
Похожие диссертации на Экологическая оценка длительного техногенного воздействия на хвойные древостои Приангарья
