Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние насаждений сосны обыкновенной урбанизированных территорий (обзор литературы)
2. Условия, объекты и методики исследования 31
2.1 Природно – климатические и экологические условия г. Оренбурга 31
2.2 Объекты и методики исследований, объём выполненных работ 43
3 Биологический анализ сосны обыкновенной
3.1 Состояние сосны обыкновенной в г. Оренбурге 51
3.2 Анализ биометрических показателей сосны 55
3.3 Оценка параметров шишек и качества семян сосны 61
3.4 Физиологические показатели хвои сосны 67
4 Состояние естественного возобновления сосны под пологом насаждений
4.1 Оценка состояния соснового подроста 74
4.2 Особенности развития соснового подроста по высоте и диаметру 78
4.3 Анализ результатов антропогенного влияния на насаждения сосны 88
Выводы 100
Практические рекомендации 103
Список использованной литературы
- Природно – климатические и экологические условия г. Оренбурга
- Объекты и методики исследований, объём выполненных работ
- Анализ биометрических показателей сосны
- Особенности развития соснового подроста по высоте и диаметру
Природно – климатические и экологические условия г. Оренбурга
Понятие «урбанизация» (от лат. Urbs – город) в настоящее время становится все более актуальным. Этот процесс повышения роли городов в развитии общества оказывает весьма негативное воздействие на состояние биосферы.
Феномен отрицательного воздействия урбанизации на биосферу человечество отчетливо признало в 60-х гг. 20 века (Юсупов, Луганский Залесов, 1999). Исследования отрицательного антропогенного влияния на лесные экосистемы начались в 60 – 70-х годах.
Глобальное техногенное загрязнение воздушной среды токсическими поллютантами в настоящее время приближается к пределу допустимой нагрузки на растительные экосистемы. Следствием этого является катастрофическая деградация лесов в Западной Европе, а так же в промышленных регионах России. Леса Урала подвергаются в течение полувека постоянному интенсивно нарастающему действию промышленно – транспортных эмиссий, принявших характер постоянно действующего экологического фактора (Аникеев, Бабушкина, Зуев, 2000).
Промышленные выбросы, воздействуя на лесные насаждения, изменяют видовой состав почвенного покрова. Происходит исчезновение отдельных видов мхов, ослабление деревьев, изреживание их кроны; уменьшение возраста хвои до 1 – 2 лет; формирование многовершинности побегов и их усыхание; появление стволовых и технических вредителей и болезней; частичная смена пород; возрастание количества злаковых, сорных и азотолюбивых травянистых растений (Смит, 1985; Шяпятене, Вянцкус, 1986; Рожков, Козак, 1989; Махнев и др., 1990). По исследованиям авторов из–за перечисленных последствий наблюдается снижение бонитета на I – II класса, полноты на 0,1 – 0,2 единицы, прироста на 13 – 35 % и как следствие – производительности древостоев (Илюшин, 1953). Многочисленные нагрузки на защитные искусственные насаждения приводят к снижению устойчивости – способности данного сообщества сохранять видовой состав и репродуктивную способность (Аникеев, Бабушкина, Зуев, 2000).
Широко известны факты влияния загрязнения атмосферы на генетическое ранообразие популяций древесных растений (Абатурова, Вишневецкая, Духарев, 1980; Бахтиярова, 1994), при этом степень влияния загрязнителей зависит от видовой и генотипической толерантности последних (Алексеев, 1989).
Уровень загрязнения воздуха в широком диапазоне концентрации различных фитотоксикантов Г.М. Илькун (1993) предлагает оценить с помощью растений, отличающихся реакцией на содержание в воздухе безвредной или слабоповреждающей концентрации токсических газов. Такие шкалы, по мнению автора, можно составить на основе данных об устойчивости растений и по уровню накопления в них атмосферных загрязнителей. Так, сосны обыкновенная и Банкса, ель европейская и пихта белая крайне чувствительны к атмосферным загрязнениям различного химического состава.
О.Н. Дегтярева (2003), проводившая исследования в Алтайской республике выявила, что из хвойных пород более приспособленными видами в условиях урбанизированной среды являются сосна обыкновенная, лиственница сибирская и сосна сибирская, менее устойчивыми – ель сибирская и пихта сибирская.
Исследования О.А. Неверовой (2004) показали, что максимальной устойчивостью к факторам городской среды характеризуется береза повислая, минимальной – липа, сирень и хвойные (сосна, ель) – у них отмечено снижение адаптационных и компенсаторных возможностей.
Влияние рекреации на городские лесные экосистемы и вызванные ею последствия рассматривали в разные годы Р.А. Карписонова, (1962); А.С. Тихонов, (2011); Л.П. Рысин, (1970); А.Ф. Хайретдинов, (1984, 1997) и другие.
Рекреационные нагрузки, изменяя состояние и уменьшая продуктивность второстепенных компонентов лесного биогеоценоза, опосредованно влияют и на состояние древостоя. С ростом рекреационных нагрузок происходит сокращение периода вегетации, уменьшение средней высоты и диаметра, снижение радиального прироста (Зайцева, Михайлов, 1983).
Исследования М.М. Маргуса, В.К. Добровольского (1995) показывают, что к воздействию антропогенных факторов хвойные древостои более восприимчивы, чем лиственные. С увеличением нарушенности биоценоза заметно увеличивается процент ослабленных деревьев. В условно ненарушенных (1 стадия дегрессии) и слабо нарушенных (2 стадия дегрессии) биоценозах доля деревьев 1 и 2 класса составляет 38,6 и 39,3 % в сосняках и 40,7 и 41,3 % в лиственничниках. К 4 – 5 стадии их процент снижается до 12,7 и 7,7%. Сравнительно стабильным остается количество деревьев 3 класса роста (42,2 – 56,7%). С ростом рекреационных нагрузок и ухудшением почвенных условий, доля деревьев ослабленных в росте возрастает до 48,8%. К 4 – 5 стадиям рекреационной дегрессии процесс дифференциации настолько усиливается, что даже рубки ухода не способны повлиять на ее ход.
По исследованиям Е.В. Колтунова, C.В. Залесова, Р.Н. Лаишевцева (2007) в условиях городской среды при высоком уровне техногенной нагрузки и умеренном или низком уровне рекреационной дигрессии наблюдалась большая заболеваемость сосны обыкновенной гнилями. В этих древостоях общий уровень пораженности гнилями достигал 77,7 %. Несколько более низкий уровень пораженности сосны гнилями вызывался комплексным воздействием заметного техногенного загрязнения и рекреационной дигрессии. Сосна поражалась, преимущественно, сосновой губкой (Phellinus pini).
Объекты и методики исследований, объём выполненных работ
Используя данные исследований и научные работы В.Д. Кучеренко (1973), С.Ф. Курнаева (1982), А.А. Чибилева, (1995, 1996); А.И. Климентьева (2001), И.В. Сатункина с соавторами (2010), Г.А. Русскина (2003), а также руководствуясь Государственным докладом … (2013) и Основными положениями … (1995), приводим краткий обзор природных условий и основных аспектов антропогенного воздействия на урбоэкосистему г. Оренбурга.
Город Оренбург находится в подзоне сухих степей степной зоны. Климат района резко континентальный, что объясняется его значительной удаленностью от морей и близостью к полупустыням Казахстана. Климатические условия характеризуются большой амплитудой колебания годовой и суточной температур, сильными ветрами, непродолжительным весенним и продолжительным осенним периодами. Район отличается сухим и жарким, сопровождающимся суховеями, летом и холодной зимой.
По данным Оренбургской метеостанции, в среднем за год выпадает 358 мм осадков, с колебаниями по годам от 154 до 534 мм (табл. 2.1). Иногда осадки выпадают в виде ливней, производя смыв верхнего наиболее плодородного слоя почвы, что приводит к развитию эрозионных процессов.
В течение года осадки также распределяются неравномерно. Наиболее часто дожди выпадают при ветрах западного и юго-западного направлений. В городе выпадает на 10% больше осадков, чем в его окрестностях, так как в нем изменены условия воздушной циркуляции, облачности и теплового режима. Максимум осадков отмечается в июне – июле (37–39 мм за месяц), минимум – в феврале – марте (20 мм за месяц), среднее количество атмосферных осадков за теплый период составляет 222 мм.
Все виды атмосферных осадков (дождь, снег, роса, изморозь, град) имеют свойство вымывать из атмосферы часть вредных примесей. Особенно хорошо действует механизм самоочищения воздуха при грозах. Грозы случаются в среднем за год в течение 21 – 29 дней. Наибольшее развитие грозовой деятельности отмечается в июле.
Ветер отличается крайней изменчивостью, как по направлению, так и по скоростному режиму. В среднем, всего 45 дней в году бывают безветренными.
Повторяемость направлений ветра и штилей, по многолетним наблюдениям метеорологической станции г. Оренбурга, составляет за год в %: С – 12, СВ – 7, В – 22, ЮВ – 7, Ю – 13, ЮЗ – 14, З – 17, СЗ – 8, штиль – 6. Скорость ветра, повторяемость превышения которой для данного района составляет 5 %, достигает 9 м/с. Зимой преобладает восточное направление ветра, летом – восточное и северное. Средняя скорость ветра составляет 4,0 м/с. На территории изысканий характерны особенно сильные ветры, дующие зимой во время снежных буранов и летом в периоды, характеризующиеся низкой относительной влажностью и высокой среднесуточной температурой. Самое продолжительное время года – зима, которая длится более четырех месяцев. Оренбургская зима отличается постоянством отрицательных температур и суровыми морозами, достигающими 40 – 45С.
Устойчивый снежный покров образуется 23 ноября, продолжительность его залегания 130 дней. Наибольшая средняя высота снежного покрова на конец февраля составляет 30 см (табл. 2.2). В некоторые годы оттепели, приводящие к таянию снега и выпадению осадков в виде дождя, случаются и в декабре. Влага не впитывается в почву, а остается на поверхности. Одновременно происходит резкое понижение температуры воздуха, и почва покрывается сплошным ледяным панцирем, служащим своеобразной прокладкой между почвой и выпадающим в дальнейшем снегом.
Метели чаще всего связаны с прохождением западных и южных циклонов, приносящих штормовые ветры, обильный и мокрый снег, а порой и дождь, среди зимы. Число дней с метелями колеблется здесь от 26 до 49 дней в году. Метели отмечаются регулярно с ноября по март, а наибольшее их число наблюдается в январе. Общая продолжительность метелей составляет до 503 часов за год. Обычное явление, особенно во второй половине зимы, низовые метели (поземки). При этом снег, сдуваемый с возвышенных мест, накапливается в оврагах, балках, лесных колках, образуя снежники.
Зимние оттепели непродолжительны и редки и преимущественно бывают в начале или конце зимы. Начало весны определяется устойчивым переходом средней суточной температуры на 0 С. В целом Оренбургская весна короткая, бурная, с быстрым нарастанием температур и частыми ветрами. В конце апреля увеличивается повторяемость малооблачной погоды, которая приводит к весенним засухам. Дата последних весенних заморозков – 24 мая.
Теплый период длится с 1 апреля до 3 ноября, его продолжительность составляет в среднем 216 дней.
Так называемый большой вегетационный период, то есть период вегетации зимующих растений (озимых культур, многолетних трав, древесных и кустарниковых пород), под которым подразумевают период со средними суточными температурами выше 5С, начинается 12 апреля и заканчивается 18 октября, его средняя продолжительность 189 дней.
Период активной вегетации (период со среднесуточными температурами воздуха выше 10С) длится с 25 апреля по 30 сентября, его средняя продолжительность составляет 158 дней. За этот период выпадает 164 мм осадков. При средней сумме активных температур 2887С такое количество осадков не является достаточным для хорошей влагообеспеченности, поэтому в данном районе обычно возникают засушливые условия: гидротермический коэффициент (ГТК Селянинова) составляет в среднем 0,58 причем в отдельные годы ГТК может снижаться до 0,19 – 0,25, что соответствует сильной засухе.
Анализ биометрических показателей сосны
Породный состав существующих зеленых насаждений г. Оренбурга достаточно ограничен. Сосну обыкновенную часто использовали в примагистральных посадках в 60-х – 80-х годах, когда уровень транспортного потока на основных улицах был невысок. Но на сегодняшний момент у деревьев сосны визуально заметны признаки ухудшения их состояния.
Нами дан комплексный анализ деревьев сосны, произрастающей в относительно разных по условиям загрязнения частям города. Наиболее загазованной выбросами автотранспорта является центральная часть города. Это связано с расположением здесь множества торговых, административных и промышленных объектов. Основные крупные автодороги, по которым движется транспортный поток: улица Чкалова, проспект Дзержинского, проспект Гагарина и проспект Победы. Здесь были обследованы придорожные линейные посадки сосны обыкновенной.
В целях сравнения нами взяты деревья сосны, находящиеся в составе насаждений – в восточной (максимально удаленной от дороги) части лесного массива Качкарский мар, который находится в черте города Оренбурга.
Для выявления особенностей произрастания деревьев сосны в условиях города нами было проведено разделение их по категориям состояния (табл. 3.2).
Все деревья, произрастающие вдоль автодорог, то есть в зоне влияния выбросов автотранспорта имеют ту или иную степень ослабления или усыхания. Выявлено, что основная часть деревьев (60%) имеет третью категорию состояния, то есть являются сильно ослабленными. Визуальными признаками ослабления являются желтая или почти серая хвоя, сквозистая крона, искривленные ветви, среди которых доля усохших составляет почти половину.
Достаточно большое количество из всех обследованных в придорожных посадках деревьев (20%) отнесено к категории усыхающих. У них отмечена сильная поврежденность стволов, отслаивание коры, смолотечение, крона изрежена более чем в 2 раза, хвоя имеется лишь на побегах текущего года и имеет серый матовый цвет, многие хвоинки некротизированы.
13% деревьев отнесены ко второй категории состояния. У них обнаружено проявление первых признаков ослабления, таких как уменьшение прироста центрального и боковых побегов, некоторая изреженность кроны, появление пожелтевшей хвои и усыхающих ветвей, а также признаков повреждения стволовыми вредителями. 7% сосен полностью утратили жизненные функции, так как погибли в текущем году и отнесены к категории свежего сухостоя.
Среди обследованных нами в урочище Качкарский мар деревьев сосны обнаружено лишь 3 % ослабленных, остальные деревья внешне здоровы и не имеют визуальных признаков ослабления.
При оценке морфологических показателей деревьев сосны на разных объектах также отмечаются существенные различия (табл. 3.3).
Диаметр сосны в насаждении в 2 раза превышает диаметр деревьев в примагистральных посадках. Для деревьев сосны, произрастающих в зоне выбросов автотранспорта характерна значительно меньшая высота, в среднем она составляет 6,2 м, что соответствует пятому классу бонитета и свидетельствует о низкой производительности городских почв.
Одним из показателей удовлетворительного состояния деревьев является размер кроны, однако, при равной степени загрязнения воздуха в фитоценозе и одиночных посадках степень развития кроны в большей степени обуславливается ее освещенностью. В насаждениях кроны взрослых деревьев компактнее и занимают верхнюю часть ствола, что и наблюдается в нашем случае. Но при явно большей освещенности отдельно стоящих деревьев в примагистральных посадках, крона их развита слабее.
Прирост боковых побегов на ослабленных выбросами автотранспорта деревьях значительно замедлен. Здесь длина побега как текущего, так и предыдущего года в 2 раза меньше, чем в насаждении Качкарский мар.
На присутствие в воздухе выхлопных газов очень чутко реагирует хвоя сосны, поэтому многие исследователи часто используют ее при пассивном мониторинге в качестве индикатора загрязнения атмосферы.
В таблице 3.4 приводятся данные визуального обследования хвои сосны первого года жизни, которая была собрана на обоих объектах с деревьев 1 – 4 категории жизненного состояния в конце вегетационного периода.
Некротизация хвоинок, то есть омертвение ткани, начинается с появления отдельных темных точек на их кончиках. По исследованиям некоторых авторов этот процесс идет даже при незначительном содержании в воздухе оксидов серы – веществ, входящих в состав выхлопных газов автотранспорта (Сергейчик, 1981; Негруцкая, 1990; Поташева, 2008).
В результате обследования было выявлено, что деревья, произрастающие в лесном массиве Качкарский мар, в основной своей массе имеют здоровую хвою (74,6%). 12,2% хвои подвержено начальной стадии некротизации, то есть имеют точечный некроз. На последующие стадии усыхания и гибели хвоинок приходится по 3 – 4%.
Сосновая хвоя деревьев в придорожных посадках имеет ту или иную стадию некротизации. Почти половина (44,7%) всей собранной хвои находится на начальной стадии развития некроза, на четверть поражено 27,1 % хвои. Достаточно большое количество хвоинок (14,8%) усохли на своей длины, а сухой хвои в 2 раза больше в придорожных посадках, чем на деревьях в насаждении.
В итоге, произрастание деревьев сосны обыкновенной вблизи автодорог ведет вначале к уменьшению устойчивости, эстетической ценности, к большим потерям декоративности и жизнеспособности, а затем к их гибели. Результаты биометрического анализа хвои сосны (табл. 3.5) демонстрируют достоверное снижение всех показателей у деревьев, произрастающих в придорожных посадках по сравнению с насаждениями городского лесного массива Качкарский мар.
Однако число пар хвоинок на 1 см побега увеличивается, что может говорить об эффекте ксерофитизации, связанной с меньшим значением сомкнутости, или о проявлении «физиологической сухости» вызванной выбросами автотранспорта. В норме данные показатели отличаются значительной степенью генетической детерминированности и отражают индивидуальные особенности отдельных деревьев (Бахтиярова, 1994). Однако известно, что под действием негативных факторов доля изменчивости признаков, обусловленная генетическими причинами, снижается, зато возрастает роль внешних условий (Казанцева, 2010).
Особенности развития соснового подроста по высоте и диаметру
Эти закономерности связаны также с климатическими данными. Особый интерес представляет изучение самого хода изменения, т.е. «тренда» в динамике прироста и хода роста по размерам подроста разной крупности.
Как видно, изменение прироста по годам на пробных площадях от базового 8 лет по категориям крупности в пределах пробы может различаться по всем годам, либо иметь сходство в отдельные годы. Это можно объяснить тем, что рост подроста протекал в разные периоды по климатическим условиям, которые оказывали определенное влияние на динамику годичного прироста подроста по высоте и диаметру.
Анализ прироста подроста сосны по высоте и диаметру по годам роста в абсолютном выражении показал его динамичность по категориям крупности и возрасту.
Изменение прироста в пределах пробной площади может различаться по всем годам, либо иметь сходство в отдельные годы (приложение 5-16). Возможно, это связано с особенностями климатических условий в различные годы.
Ход роста сосны по диаметру имеет аналогичные закономерности, что и ход роста по высоте – на всех пробных площадях интенсивность роста тем больше, чем крупнее подрост.
Если сравнивать интенсивность роста подроста в высоту и по диаметру можно отметить что на ПП 12 складываются более благоприятные условия для роста подроста по диаметру, а на ПП 11 – по высоте.
В возрасте молодняка влияние полноты на прирост по высоте прослеживается достаточно чётко: на ПП 13, где наименьшая полнота, прирост максимален, на ПП 12 с наибольшей полнотой прирост минимален. У среднего подроста на ПП 12 с возрастом прирост по высоте увеличивается (2003 г. – 2,7 см, 2006 г. – 8,9 см, 2009 г. – 16,0 см). У крупного подроста напротив – с возрастом прирост по высоте уменьшается (2003 г. – 13,8 см, 2006 г. – 8,4 см, 2009 г. – 7,3 см). На ПП 11 и у крупного и у среднего подроста с возрастом прирост по высоте сокращается. По диаметру на всех пробных площадях максимальный прирост отмечается у молодняка, т. е. на него полнота (сомкнутость) оказывает наименьшее влияние. Возможно, это связано с большим возрастом и размером молодняка по сравнению с подростом.
На всех трех пробах выявлено, что интенсивность роста среднего подроста ниже, чем крупного и молодняка, в результате его большего затенения и, как следствие, угнетения. На рисунке наглядно видно, что наибольшие отличия между ростом молодняка и подроста отмечены на ПП 13, наименьшие – ПП 12.
На ПП 12 рост по высоте крупного подроста и молодняка практически одинаков в 1994–2003 гг., затем более интенсивный рост отмечается у молодняка.
В благоприятных условиях произрастания у деревьев по всей окружности ствола формируются широкие годичные кольца, причем радиальный прирост из года в год колеблется в небольших пределах. В плохих условиях годичные кольца более узкие, ширина их сильно колеблется (Молчанов, Смирнов, 1967).
В нашем случае в течение исследуемого периода наблюдается практически равномерный рост по диаметру по всей окружности ствола по годам с незначительными колебаниями. Следовательно, условия для роста подроста достаточно благоприятны. Увеличение интенсивности роста по диаметру всего подроста на всех трёх пробных площадях отмечено в 2009 году, что можно объяснить тем, что в период закладки почек и развития побегов (2008 – 2009 гг.) сложились наиболее благоприятные температурные и влажностные условия.
Увеличение доли сосны в составе древостоя и его сомкнутости (ПП 12) отрицательно сказывается на интенсивности роста подроста по высоте, но положительно по диаметру. На пробной площади (ПП 13) с составом 10Яз+Со рост подроста происходит практически равномерно и по высоте и по диаметру. В целом можно отметить, что у среднего подроста отмечается меньший прирост в высоту и по диаметру, чем у крупного и молодняка. Наиболее четко влияние полноты прослеживается при изучении прироста по высоте, особенно у молодняка. Менее выражены закономерности влияния полноты на прирост по диаметру и у молодняка, и у подроста.
Значительный интерес представляют вопросы по исследованию кульминации годичного прироста подроста сосны по высоте и диаметру. Вполне очевидно, что момент достижения максимального годичного прироста различен. Это происходит в силу многих причин, воздействующих прямо или косвенно на прирост: почвенные факторы, климатические условия, живой напочвенный покров, угнетение со стороны материнского полога и т.п.
Знать о кульминации прироста деревьев по их размерам, прежде всего, необходимо для обоснования возраста начала проведения рубок ухода. Снижение прироста, особенно резкое, по высоте и диаметру в густых культурах, позволяет сделать вывод о необходимости проведения рубок ухода.
