Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Оценка нарушенности лесных экосистем промышленными эмиссиями (состояние вопроса) 9
ГЛАВА 2. Характеристика района работ, объекты и методы исследований.. 18
2.1. Физико-географическая характеристика района исследований 19
2.2. Динамика атмосферных выбросов Шелеховского промышленного узла 37
2.3. Объекты и методы исследований... 45
Выводы по главе 2 48
ГЛАВА 3. Накопление элементов-токсикантов в хвое сосны при воздействии эмиссий Шелеховского промышленного узла 54
3.1. Содержание фторидов 55
3.2. Содержание серы 65
3.3. Содержание тяжелых металлов (свинца, кадмия, ртути, меди, железа), алюминия и кремния 74
Выводы по главе 3 101
ГЛАВА 4. Изменение содержания биофильных элементов и некоторых органических соединений в хвое сосны при воздействии фторсодержащих выбросов 103
4.1. Содержание азотистых веществ 103
4.2. Содержания фосфорных соединений 119
4.3. Содержание кальция, магния, калия, натрия 134
4.4. Содержание микроэлементов (марганца, цинка) 151
Выводы по главе 4 161
ГЛАВА 5. Изменение визуальных и морфоструктурных параметров древостоев при загрязнении фторсодержащими выбросами 165
5.1. Изменение уровня дефолиации крон 165
5.2. Оценка степени дехромации 174
5.3. Продолжительность жизни хвои 183
5.4. Биометрические показатели хвои и побегов 186
Выводы по главе 5 191
ГЛАВА 6. Динамическое картографирование и прогнозирование состояния древостоев 193
6.1. Динамическое картографирование состояния лесов 193
6.2. Прогнозирование состояния ослабленных лесов 211
Выводы по главе 6 223
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 225
Список использованных литературных источников 227
- Оценка нарушенности лесных экосистем промышленными эмиссиями (состояние вопроса)
- Физико-географическая характеристика района исследований
- Содержание фторидов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние десятилетия атмосферное загрязнение, наряду с воздействием насекомых-вредителей, пожарами и рубками, считается одним из приоритетных негативных факторов, вызывающих изменения в состоянии лесов бореальной зоны (Исаев и др., 1997; Ваганов, Плешиков, 1998; Effects ..., 2002). Охватывая значительные территории и негативно влияя на леса, оно приводит к нарушению их средообразующих и средозащитных функций (Харук, 1998; Мониторинг ..., 2000). К числу таких проблемных регионов бореальной зоны относится и Верхнее Приангарье (Михайлова, 2003).
Ответная реакция лесных экосистем на долговременное аэротехногенное загрязнение интегральна и выражается в разной степени их деградации. Ключевые тенденции трансформации лесных экосистем наиболее адекватно выявляются по изменению состояния их главного компонента - древесного яруса (Алексеев, Дочинжер, 1981; О взаимосвязи ..., 1988; Рожков, Михайлова, 1989). Анализ пространственно-временной динамики состояния древо-стоев дает возможность разработки модели их «поведения» при определенной стрессовой нагрузке. Эта информация важна не только для создания современных природоохранных программ, но и для осуществления перспективного прогнозирования, в том числе по оптимизации допустимого техногенного воздействия аэропром выбросов. При этом достоверность прогноза значительно возрастает, если он осуществляется на основе длительных непрерывных наблюдений, начатых с момента появления техногенного пресса. Подобного рода работ немного, а для Сибири они практически отсутствуют. В то же время, этот регион характеризуется активным развитием промышленности, в том числе алюминиевой. Помимо уже имеющихся заводов, здесь планируется создание новых мощных алюминиевых производств. Все эти предприятия отличаются большим содержанием в выбросах соединений фто-
5 pa, обладающих высокой токсичностью для растений, особенно для хвойных
пород. В связи с этим, актуальна оценка роли этого негативного фактора в изменении состояния лесных экосистем, осуществляемая по комплексу параметров, характеризующих степень угнетения древостоев, и корреляционно связанных с уровнем загрязнения.
Цель работы: исследовать пространственно-временную динамику эко-лого-физиологического состояния древостоев сосны обыкновенной при длительном воздействии фторсодержащих выбросов и дать прогноз развития ситуации в лесах.
Задачи исследований:
изучить пространственные, многолетние и сезонные изменения накопления в хвое сосны элементов-токсикантов и ряда элементов-биофилов;
на основе комплекса визуальных и морфофизиологических показателей дать оценку жизненного состояния древостоев разной степени ослабления;
провести динамическое картографирование лесопокрытой территории, загрязняемой фторсодержащими аэропром выбросам и, результаты отразить на картах-схемах (М 1 : 500 000);
дать прогноз состояния лесов по нескольким возможным сценариям изменения объема фторсодержащих аэропромвыбросов.
Положения, выдвигаемые на защиту:
На обследованной территории фториды являются приоритетными поллютантами, определяющими физиологическое состояние древостоев.
Ответная реакция древостоев на изменение интенсивности техногенной нагрузки характеризуется высокой степенью инерционности.
Пространственно-временная динамика состояния древостоев, подвергающихся воздействию промышленных выбросов, адекватно отражается методами эколого-фитотоксикологического картографирования.
Научная новизна работы. Показано, что при воздействии многокомпонентных эмиссий алюминиевых заводов доминирующая роль принадлежит
фторсодержащим соединениям как основному негативному фактору, определяющему физиологическое состояние древостоев. Установлена тесная зависимость между изменением комплекса морфофизиологических параметров деревьев и накоплением в хвое приоритетных токсикантов - фторидов. Выявлены репрезентативные показатели, наиболее адекватно отражающие состояние древостоев при воздействии фторсодержащих эмиссий. Изучены закономерности пространственной, многолетней и сезонной динамики морфо-структурных параметров и элементного состава хвои древостоев разной степени угнетения. Выявлены особенности трансформации древостоев, зависящие от изменения уровня эмиссионной нагрузки, они заключаются в наличии выраженной инерционности состояния насаждений как при возрастании объема эмиссий, так и при его уменьшении. Разработан алгоритм обобщения данных для прогнозирования состояния ослабленных древостоев при разных сценариях изменения эмиссионной нагрузки. Показано, что пространственно-временные изменения состояния лесов адекватно моделируются методами динамического картографирования.
Практическая значимость работы. Полученные материалы о многолетней динамике состояния сосновых древостоев могут служить для обоснования уровня допустимых фторсодержащих эмиссий алюминиевых заводов и других предприятий, выбрасывающих фториды. Разработанные карты-схемы ослабления лесов могут использоваться административными органами как информационный базис при принятии решений по оптимизации лесохозяйст-венной деятельности на загрязняемых территориях, планировании мероприятий по предупреждению и устранению негативных процессов в лесных экосистемах. Результаты исследования включены в итоговые отчеты по хоздоговорным работам о состоянии лесов зеленой зоны города Шелехова и использовались Шелеховской городской администрацией при подготовке документации для разработки Федеральной программы «Комплекс неотложных мероприятий по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической обстановки и здоровья населения г.Шелехова Иркут-
7 ской области» (Постановление Правительства РФ от 22.04.97 № 456). Материалы исследований неоднократно публиковались в докладах Государственного Комитета по охране природы о состоянии окружающей среды в Иркутской области (Экологическая ..., 1993-95; Государственный..., 1996-2001). Полученные материалы использовались также для прогнозирования состояния лесов в районе проектируемого алюминиевого завода в г. Тайшете Иркутской обл.
Апробация работы. Результаты исследований представлялись на 15 международных конференциях, в том числе «СибЭко-93» (Иркутск, 1993), «Экология и охрана окружающей среды» (Пермь, 1995), «Методы оценки, состояния и устойчивости лесных экосистем» (Красноярск, 1999), 3-й Международной Верещагинской Байкальской конференции (Иркутск, 2000), 6-м Международном симпозиуме «Acid rain-2000» (Tsucuba, 2000), «Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality» (Иркутск, 2001), «Средообразующая роль бореальных лесов: локальный, региональный и глобальный уровни» (Красноярск, 2002), «Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар, 2003), III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионук-леиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), «Plant Responses to Air Pollution and Global Changes» (Tsukuba, 2004); на 11 Всероссийских конференциях, в том числе, «Физико-химические основы физиологии растений» (Пенза, 1996), «Экология таежных лесов» (Сыктывкар, 1998), «Экология и рациональное природопользование на рубеже веков. Итоги и перспективы» (Томск, 2000), «Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды» (Иркутск, 2000), «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (Красноярск, 2004), а также на ряде региональных совещаний.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка использованной литературы, включающего 351
8 наименование, из них - 90 на иностранных языках. Работа изложена на 258
страницах, из них 145 страниц составляет текстовая часть, содержит 15 таблиц, 73 рисунка.
Благодарности. Автор выражает глубочайшую благодарность и сердечную признательность научному руководителю д.б.н. Татьяне Алексеевне Михайловой, д.б.н. Андрею Сергеевичу Плешанову за ценные советы и замечания по работе, Сергею Юпитеровичу Тощакову за помощь в освоении ряда компьютерных программ, к.б.н. Алексею Яковлевичу Никитину за ценные советы по статистической обработке данных, соавторам Ольге Алексеевне Анисимовой, Татьяне Иннокентьевне Морозовой, Александру Николаевичу Петрову, Виктору Ивановичу Воронину, Любовь Викторовне Анциферовой, Ларисе Владимировне Афанасьевой (Братющенко), Валентине Ивановне Эповой, Людмиле Сергеевне Яньковой, Людмиле Васильевне Русаковой, к.б.н. Любовь Виссарионовне Дударевой Ольге Анатольевне Пройдаковой и за помощь в выполнении аналитических работ.
Оценка нарушенности лесных экосистем промышленными эмиссиями (состояние вопроса)
В последние десятилетия атмосферное загрязнение наряду с воздействием пожаров, рубок, насекомых-вредителей стало одним из ведущих факторов, определяющих состояние бореальных лесов (Критерии..., 1995; Исаев и др., 1997; Ваганов, Плешиков, 1998; Калашников, 1998; Мониторинг ..., 2000). Воздействие промышленных эмиссий, как и других факторов, приводит к нарушению динамического равновесия и взаимосвязей между компонентами в лесных экосистемах. Эти нарушения сопровождаются, прежде всего, изменением средообразующих функций лесов, связанных с регулированием газового состава атмосферы планеты. Кроме того, влияние техногенного загрязнения на лесные экосистемы вызывает трансформацию биогеохимических и гидрологических циклов, способствует уменьшению биоразнообразия. Эти и многие другие негативные проявления влекут за собой не только уменьшение общей устойчивости лесных экосистем, но и ведут к снижению их первичной биологической продуктивности (Горчаковский, 1979; Смит, 1985).
В промышленно развитых регионах бореальной и умеренных зон атмосферное загрязнение приобрело роль доминирующего фактора, определяющего состояние лесных экосистем (Фрей, Фрей, 1986; Манько, Гладкова, 1995; Техногенное ..., 1996; Михайлова, 2003). Обзор имеющихся сведений о масштабах воздействия промышленных выбросов на леса свидетельствует, что нарушения могут охватывать площади от нескольких десятков и сотен до миллионов гектаров (Харук, 1998; Мониторинг ..., 2000). При этом наиболее критические ситуации возникают при действии крайне высоких техногенных нагрузок в сочетании с экстремальными природными условиями. В частности, наиболее масштабные техногенные катастрофы, проявившиеся в ослаблении и гибели лесов, произошли в окрестностях очень крупных предприятий цветной металлургии по переработке медно-никелевых руд (Техногенное ..., 1996). Результаты исследований деградации лесов в зоне действия Норильского ГМК, расположенного на севере Красноярского края, позволяют оценивать сложившуюся здесь ситуацию как наиболее крупную экологическую катастрофу в бореальной зоне. Размеры повреждения лесного покрова в этом районе охватывают около 2 млн га, при этом формирование зоны нарушенности лесных экосистем происходило на протяжении более полувека. В настоящее время она распространяется в радиусе до 80-100 км от источников эмиссий и до 200 км по направлению преобладающих ветров. В связи с этим процесс деградации лесов в этом районе был назван «Норильским феноменом» (Техногенное ..., 1996).
Аналогичные, но несколько меньшие воздействия на лесные экосистемы выявляются и вблизи других предприятий по производству цветных металлов, например, в г. Садбери в Канаде (Hutchinson, Whitby, 1977), на Кольском полуострове вблизи комбинатов «Печенганикель» и «Североникель». По оценкам масштабы распространения повреждения и гибели лесов в их окрестностях составляют 100-200 тыс. га (Лукина, Никонов, 1996; Кайбияйнен и др., 1998). Основной причиной столь значительных повреждений лесных экосистем в этих районах служит очень высокий уровень техногенной нагрузки, главным образом, диоксида серы, кроме того, негативное влияние оказывают экстремальные климатические условия.
Не менее катастрофична ситуация в районах распространения фторсо-держащих выбросов - еще более токсичных, чем окислы серы. Хотя источники эмиссии фторидов довольно многочисленны, наиболее мощными из них являются, несомненно, алюминиевые заводы. В окрестностях самого крупного в России Братского алюминиевого завода (Иркутская обл.) площадь поражения хвойных лесов к середине 1980-х гг. достигла 140 тыс. га. Размер тер 1ритории поврежденных лесов получен при аэровизуальных обследованиях, при которых хорошо различимы признаки только внешнего воздействия фторсодержащих эмиссий — желто-бурые и суховершинные кроны, усохшие лесные массивы. Поэтому следует предположить, что реальная площадь ослабленных лесов в окрестностях БрАЗа была значительно больше (Михайлова, 2003). Вблизи другого крупного алюминиевого завода, также расположенного в Иркутской области - Иркутского - площадь ослабления сосновых лесов в современный период составляет около 45 тыс. га (Картографическая ..., 1999).
Явная нарушенность лесных экосистем фторсодержащими выбросами также обнаруживается в окрестностях Красноярского и Кандалакшского (Мурманская обл.) алюминиевых заводов (Степень и др., 1996; Евдокимова и др., 1997). Кроме того, фторсодержащие эмиссии, поступающие от других промышленных источников (криолитовых и глиноземных комбинатов, заводов по производству фосфатных удобрений, химических комбинатов), также оказывают, хотя и несколько меньшие по масштабам, но весьма негативные изменения в состоянии лесов (Голов, Каменшикова, 1985; Экологическое ..., 1993; Коваленко, 1996 и др.).
За пределами России наиболее значительные очаги поражения лесных экосистем фторсодержащими выбросами также локализуются в окрестностях предприятий крупных алюминиевых компаний, например, «Анаконда» и «Кайзер» (США), здесь масштабы деградации лесов достигают 10-20 тыс. га (Miller, McBride, 1975). В странах Европы ослабление лесных экосистем фторсодержащими эмиссиями также весьма существенны, например, в Венгрии, Австрии, Норвегии, Франции, Словении признаки угнетения лесов отмечаются на расстоянии 8-13 км от предприятий, а их площадь может достигать 10 тыс. га (Robac, 1969; Keller, 1973; Гудериан, 1979; Rongier, 1994; Mankovska, Stainnes, 1995).
Физико-географическая характеристика района исследований
Обследованная территория является частью Верхнего Приан-гарья. В целом характер рельефа очень неоднороден. На севере - это южная оконечность Иркутско-Черемховской предгорной равнины, которую вместе с ее горным обрамлением (Восточным Саяном) часто называют Иркутским амфитеатром. На юге находится Олхинское плоскогорье (плато), являющееся связующим звеном между системой Восточного Саяна и Приморским хребтом. Плоскогорье представляет собой почти равнобедренный треугольник, ограниченный с запада и востока р. Иркут и Иркутским водохранилищем. Согласно физико-географическому районированию Иркутско-Черемховская равнина входит в состав Средне-Сибирского плоскогорья, Олхинское плато относится к Алтае-Саянекой горной стране (Предбайкалье ..., 1965; Иркутская ..., 1993) (рис. 1).
В северной части обследованной территории рельеф имеет узкие водоразделы, пологие склоны и хорошо разработанные речные долины. Плоские или округлые вершины междуречий, достигающие высот 480-520 м, поднимаются относительно дна долины на 60-100 м. В центре расположена широкая ассиметричная междуречная долина рек Иркута и Олхи, ее левый склон крутой и несколько изрезан падями ручьев, правый - пологий. Крутизна склонов в основном составляет 2-6, однако в некоторых случаях она может достигать 30 (Атлас..., 1962).
К южной оконечности Иркутского амфитеатра примыкает Олхинское плоскогорье, которое доходит до юго-западных берегов оз. Байкал (от пос. 20 Култук до истока р. Ангара). Олхинское плато является своеобразной зоной между системой Восточного Саяна и Приморского хребта, окаймляющего западный берег озера Байкал. Эта часть территории более приподнята над уровнем моря по сравнению с северной частью и имеет горный рельеф. Максимальные высоты достигают 1000 м, средние высоты составляют 700-800м. Общий наклон земной поверхности обращен на северо-запад в систему бассейна Иркута. Олхинское плоскогорье сильно изрезано глубокими падями и долинами ручьев и рек, самыми крупными из которых являются Олха, Половинная, Шинихта и др. Глубина расчленения в этой части территории сильнее и составляет 100-300 м. Водораздельные участки Олхинского плато имеют многочисленные выходы скальных пород (скальники Старуха, Витязь, Подкаменная и др.), выступающие над поверхностью на 20-30 м.
Исследованиями была охвачена также и долина р.Ангары в верхнем течении - от истока до г. Иркутска. Долина достаточно широка и ассимет-рична. Ее левый склон крутой, также изрезан глубокими падями и имеет слабо выраженные террасы; правый — характеризуется более пологим рельефом. Приближаясь к истоку, долина резко сужается.
Вся территория имеет развитую гидрографическую сеть. Речные долины направлены с юго-запада на северо-восток (р. Иркут), с юга на север (р.Олха), с юго-востока на северо-запад (р. Ангара, Кая, Хея, Ола), Пространственная ориентация речных долин определяет направленность как регионального, так и локального атмосферного переноса и, соответственно, распределения загрязненных воздушных масс.
Содержание фторидов
Обследованная территория является частью Верхнего Приан-гарья. В целом характер рельефа очень неоднороден. На севере - это южная оконечность Иркутско-Черемховской предгорной равнины, которую вместе с ее горным обрамлением (Восточным Саяном) часто называют Иркутским амфитеатром. На юге находится Олхинское плоскогорье (плато), являющееся связующим звеном между системой Восточного Саяна и Приморским хребтом. Плоскогорье представляет собой почти равнобедренный треугольник, ограниченный с запада и востока р. Иркут и Иркутским водохранилищем. Согласно физико-географическому районированию Иркутско-Черемховская равнина входит в состав Средне-Сибирского плоскогорья, Олхинское плато относится к Алтае-Саянекой горной стране (Предбайкалье ..., 1965; Иркутская ..., 1993) (рис. 1).
В северной части обследованной территории рельеф имеет узкие водоразделы, пологие склоны и хорошо разработанные речные долины. Плоские или округлые вершины междуречий, достигающие высот 480-520 м, поднимаются относительно дна долины на 60-100 м. В центре расположена широкая ассиметричная междуречная долина рек Иркута и Олхи, ее левый склон крутой и несколько изрезан падями ручьев, правый - пологий. Крутизна склонов в основном составляет 2-6, однако в некоторых случаях она может достигать 30 (Атлас..., 1962).
К южной оконечности Иркутского амфитеатра примыкает Олхинское плоскогорье, которое доходит до юго-западных берегов оз. Байкал (от пос. 20 Култук до истока р. Ангара). Олхинское плато является своеобразной зоной между системой Восточного Саяна и Приморского хребта, окаймляющего западный берег озера Байкал. Эта часть территории более приподнята над уровнем моря по сравнению с северной частью и имеет горный рельеф. Максимальные высоты достигают 1000 м, средние высоты составляют 700-800м. Общий наклон земной поверхности обращен на северо-запад в систему бассейна Иркута. Олхинское плоскогорье сильно изрезано глубокими падями и долинами ручьев и рек, самыми крупными из которых являются Олха, Половинная, Шинихта и др. Глубина расчленения в этой части территории сильнее и составляет 100-300 м. Водораздельные участки Олхинского плато имеют многочисленные выходы скальных пород (скальники Старуха, Витязь, Подкаменная и др.), выступающие над поверхностью на 20-30 м.
Исследованиями была охвачена также и долина р.Ангары в верхнем течении - от истока до г. Иркутска. Долина достаточно широка и ассимет-рична. Ее левый склон крутой, также изрезан глубокими падями и имеет слабо выраженные террасы; правый — характеризуется более пологим рельефом. Приближаясь к истоку, долина резко сужается.
Вся территория имеет развитую гидрографическую сеть. Речные долины направлены с юго-запада на северо-восток (р. Иркут), с юга на север (р.Олха), с юго-востока на северо-запад (р. Ангара, Кая, Хея, Ола), Пространственная ориентация речных долин определяет направленность как регионального, так и локального атмосферного переноса и, соответственно, распределения загрязненных воздушных масс.
