Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ 18
1.1. Методология и методы изучения техногенно нарушенныхлесов 18
1.2. Техногенная экологическая ситуация 26
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДЫ РАБОТЫ, ОБЪЕМ ПОЛУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 36
ГЛАВА 3. ПРИРОДНАЯ СПЕЦИФИКА РАЙОНОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 44
ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОЧНИКОВ ТЕХНОГЕННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛЕСОВ 55
4.1. Химический состав и объемы атмосферных выбросов 57
4.2. Определение источника химического повреждения древостоев 61
4.2.1. Источники загрязнения Южного Прибайкалья 63
4.2.2. Источники загрязнения территории Верхнего Приангарья 67
ГЛАВА 5. ЛОКАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНОГЕННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ 71
5.1. Токсическое повреждение ассимиляционного аппарата деревьев 71
5.2. Реакция радиального прироста различных хвойных пород на токсическое повреждение 104
5.3. Состояние репродуктивного процесса и лесовозобновления в техногенно ослабленных лесах 111
5.3.1. Критерии биоиндикации техногенного повреждения сосны и пихты по параметрам генеративной сферы 134
ГЛАВА 6. РЕГИОНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНОГЕННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ 142
6.1. Индикация техногенного повреждения лесов по радиальному приросту деревьев 142
6.2. Определение начальных сроков возникновения техногенной экологической ситуации. 146
6.3. Пространственно-временная динамика развития процесса техногенного ослабления лесов 153
6.4. Картографическое отображение масштабов повреждения и пространственного распределения ослабленных древостоев 176
ГЛАВА 7. СУБКОНТИНЕНТАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНОГЕННОГО ОСЛАБЛЕНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ 207
7.1 .Динамика стабильных изотопов углерода (5,3С) в древесине хвойных как индикатор глобальных изменений природной среды в Восточной Сибири в конце XX в 207
7.2. Динамика стабильных изотопов кислорода (5 О) в годичных кольцах лиственницы 236
ГЛАВА 8. УСТОЙЧИВОСТЬ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ И ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ИХ РАЗВИТИЯ 245
ВЫВОДЫ 271
ЛИТЕРАТУРА 274
ПРИЛОЖЕНИЯ 312
- Методология и методы изучения техногенно нарушенныхлесов
- ПРИРОДНАЯ СПЕЦИФИКА РАЙОНОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
- Химический состав и объемы атмосферных выбросов
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема техногенного загрязнения природной среды и, как следствие, повреждения лесных экосистем в Восточной Сибири приобрела новое звучание в связи с «парниковым эффектом». Из всех компонентов ландшафта наилучшим индикатором экологической обстановки служит растительность, которая может рассматриваться в качестве интегрального показателя состояния наземной части биосферы (Сочава, 1974).
За несколько десятилетий воздействие промышленных эмиссий на леса Восточной Сибири прошло по траектории от точечного (локального) до субконтинентального. Вследствие того, что промышленные предприятия в этом регионе «одни из самых крупных в мире», а лесные экосистемы в силу природной специфики крайне уязвимы к токсическому воздействию -масштабы деструкции лесов оказались весьма и весьма существенными.
В 1970-90 гг. существовала отлаженная система государственного контроля за состоянием лесов. В настоящее время аналога такой системе до сих пор не создано. Тем временем масштабы ослабления лесов продолжают стремительно нарастать. Особенностью процессов, развивающихся в биосфере с последней четверти XX столетия, является не столько глобальность перемен, сколько темпы усугубления ситуации (Переслегин, 1991; Израэль и др., 1992). Характерные времена порядка десятилетий указывают на то, что динамика экосистем управляется какими-то иными, чем прежде, структурными факторами. Важным представляется определить эти факторы (или фактор) и хотя бы сценарно оценить варианты дальнейшей эволюции лесов.
В прошедшие десятилетия в лесах Восточной Сибири, подверженных воздействию промышленного загрязнения, был проведен большой объем комплексных исследований. Как правило, исследования проводились большими коллективами специалистов различного профиля, что позволило получить обширные массивы разнообразной информации. Сибирские
регионы привлекали внимание исследователей различных научных организаций, а также периодически обследовались государственными специализированными лесоустроительными предприятиями. Таким образом, имеется уникальная возможность провести обобщение наработанного опыта, по сути биоиндикационных исследований, оценить современное состояние лесов исследованного региона и перспективы их развития.
Цель и задачи работы. Целью работы служило определение степени и масштабов антропогенного ослабления лесов в различных регионах Восточной Сибири на основе биоиндикационных исследований и выявление основных факторов, влияющих на эволюцию лесов в современной техногенной экологической ситуации.
Задачи исследования:
Оценить природную специфику регионов исследований, как один из факторов, задающий начальные условия техногенной экологической ситуации и определяющий масштабы и характер повреждения лесных массивов.
Изучить реакцию ассимиляционного аппарата деревьев на загрязнение и устойчивость различных хвойных пород к воздействию атмосферных загрязнителей в различных местообитаниях и климатических условиях.
Выяснить связь между дефолиацией кроны и изменением радиального прироста древесины.
Исследовать влияние атмосферного загрязнения на репродукционные процессы деревьев.
Оценить возможности картографических методов в отражении пространственно-временной динамики ослабления древостоев.
Установить реакцию хвойных на техногенное изменение природной среды по результатам изотопных методов исследования древесины.
7. Определить возможные варианты развития состояния
ослабленных лесов. Защищаемые положения:
Природная специфика районов исследований является одним из факторов, определяющих масштабы и характер повреждения лесных массивов. Потеря устойчивости лесными экосистемами при прямом токсическом поражении происходит лишь в зонах с летальными концентрациями промышленных токсикантов. На более обширных пространствах, в зонах среднего и слабого загрязнения, этот процесс обусловлен, прежде всего, климатическими факторами.
Использование дендрохронологических данных при изучении ослабленных древостоев дает возможность внести в исследования временной вектор: J определить начальные сроки возникновения
техногенной экологической ситуации» спектр процессов, способствующих ослаблению древостоев в условиях загрязнения атмосферы и установить тенденции их развития.
Динамика стабильных изотопов углерода в древесине хвойных деревьев позволяет установить рост концентрации антропогенной С02 в атмосфере различных регионов Восточной Сибири и выявить различные этапы развития этого процесса.
Картографические методы являются наиболее корректным способом синтеза разнородной информации о техногенно ослабленных древостоях и позволяют осуществлять пространственно-временной мониторинг изменения их состояния.
Научная новизна. Проведен сравнительный анализ техногенных повреждений лесов в регионах Восточной Сибири с различными природными условиями. Установлена зависимость масштабов повреждения древостоев от орографических условий и оценена роль особенностей условий местообитания в устойчивости деревьев к повреждающему действию техногенных токсикантов. Впервые определена фитотоксичность ряда
сероорганических соединений, входящих в состав аэропромвыбросов предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. Показана зависимость редукции радиального прироста деревьев от уровня дефолиации их кроны. Для оценки временной динамики процесса ослабления лесов и определения масштабов повреждения впервые применен показатель редукции радиального прироста деревьев, на базе которого создана карта потерь прироста древесины сосняков Верхнего Приангарья. На основе изотопного анализа древесины впервые показано распространение глобального атмосферного загрязнения на территорию Восточной Сибири. Методами картографирования продемонстрированы масштабы техногенного загрязнения и пространственно-временная динамика ослабления лесов Южного Прибайкалья. Автор принимал участие в создании «Комплексной эколого-фитотоксикологической карты» района Верхнего Приангарья. Аналогов такой карты пока нет в России.
Методическая новизна. Предложены способы картографического отображения загрязнения природной среды поллютантами и пространственно-временной динамики техногенного ослабления лесов на примере Южного Прибайкалья. Разработаны методы идентификации источника повреждения лесов и определения фитотоксичности сероорганических соединений для древесных растений. Впервые для оценки состояния природной среды применен изотопный анализ древесины, позволивший установить этапы нарастания атмосферного загрязнения на территории Восточной Сибири и констатировать распространение на нее глобального загрязнения атмосферы.
Теоретическая значимость. В развитие диалектического подхода к экологическим исследованиям предложено понятие «техногенная экологическая ситуация», характерной чертой которой является возникновение различных рода последствий техногенного воздействия на экосистемы. Такой взгляд на проблему предполагает смещение исследований
техногенноповрежденных лесов с преимущественно мониторинговой направленности в область сценарных прогнозов их развития.
Впервые проведенные исследования изотопного состава (,3С/,2С; ,80/,60) древесины позволили обосновать и сформулировать гипотезу о повышении роли дыхательных процессов хвойных деревьев в формировании «парникового эффекта».
Практическая значимость. Материалы исследований использованы в следующих научно-практических разработках: «Территориальная комплексная схема охраны природы озера Байкал» (1988г,); «Оценка воздействия выбросов промышленного комплекса г.Ангарска на состояние растительности и прогноз его изменения при переводе производства на природный газ» (1992-93гг.); «Изучить санитарное состояние лесов, пострадавших от антропогенного воздействия, и разработать мероприятия по лесовосстановлению» (1994 г.); «Разработка принципов и методической основы создания эколого-фитотоксикологической карты лесов Приангарья, загрязняемых многокомпонентными промышленными эмиссиями» (1995-96 гг.). Результаты исследований неоднократно были использованы при составлении Государственного доклада «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области» (1997-2001 гг.).
Непосредственно автором разработаны и составлены карты «Редукция прироста сосняков Иркутской области», «Нарушенность сосновых лесов юга Иркутской области», а с его участием - «Комплексная эколого-фитотоксикологическая карта» Верхнего Приангарья (Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 1999 г.») и «Эколого-фитотоксикологическая карта Ангарского и Усольского районов Иркутской области» (Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2000г.»).
Предложенные нами рекомендации по созданию системы лесозащиты, лесовосстановления и лесопатологического мониторинга включены в «Концепцию лесной политики Иркутской области на 2003-2005 гг.».
Апробация работы. Основные результаты и положения работы были представлены и обсуждались на научных конференциях и рабочих совещаниях:
V Всесоюзном совещании лимнологов (Иркутск, 1981); Всесоюзной школе-семинаре «Научное обоснование и разработка комплексного регионального мониторинга состояния оз.Байкал» (Байкальск, 1981); Всесоюзной научной конференции «Проблемы экологии Прибайкалья» (Иркутск, 1982); IV Всесоюзном совещании по вопросам дендроклиматологии и дендрохронологии (Иркутск, 1983); Всесоюзной научной конференции «Закономерности роста и производительности древостоев» (Каунас, 1985); Всесоюзной конференции «Экологическая роль горных лесов» (Бабушкин, 1986); Международном рабочем совещании «Dendrocronological methods in forest science and ecological forecasting» (Иркутск, 1987); Всесоюзной научно-практической конференции «Достижения науки и передового опыта защиты леса от вредителей и болезней» (Москва, 1987); Международной конференции «Forest insect guilds:patterns of interaction with host trees» (Абакан, 1989); Международной конференции по экологии Сибири (Иркутск, 1993); Международном рабочем совещании "Байкал - природная лаборатория для исследования изменения окружающей среды и климата" (Иркутск, 1994); Всероссийской конференции «Экологические проблемы Прибайкалья» (1994); Международной конференции «Environment and humanity: relationships and processes» (USA, Arizona, 1994); Международной конференции «Эколого-физиологические аспекты ксилогенеза хвойных» (Красноярск, 1996); второй Всероссийской конференции "Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока" (Красноярск, 1996); Международной конференции "Флора, растительность и растительные ресурсы Забайкалья" (Чита, 1997); Всероссийском совещании «Проблемы экологии» (Иркутск, 1999); Всероссийском совещании «Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды» (Иркутск, 2000); Международной конференции «Tree Rings and People»
(Swiss, Davos, 2001); II Международной научно-практической конференции «Человек, среда, вселенная» (Иркутск, 2001); III Российско-Монгольской конференции по астрономии и геофизике (Иркутск, 2002); Международной научной конференции «Закон Российской федерации «Об охране природы озера Байкал» как фактор устойчивого развития» (Иркутск, 2003); Всероссийском совещании «Дендрохронология: достижения и перспективы» (Красноярск, 2003); Всероссийской научной конференции «Проблемы сохранения разнообразия растительного покрова Внутренней Азии» (Улан-Удэ, 2004); Всероссийской конференции «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (Красноярск, 2004).
Публикации. Основное содержание диссертации и защищаемые положения отражены в 40 публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 311 страницах, состоит из введения, предисловия, 8 глав, выводов, списка литературы (389 наименований), приложений, иллюстрирована 76 рисунками, содержит 21 таблицу.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке интеграционных проектов СО РАН (№ 74, №121 и № 104) и РФФИ (грант 05-05-97251 р-байкал-а).
ПРЕДИСЛОВИЕ
«Отсутствие адекватных представлений о "жизни" природы
в условиях техногенного воздействия сразу же дает о себе
знать, едва мы выходим за границы устоявшихся в течение
столетий принципов и масштабов влияния на природу.
Реальные последствия резко расходятся с ожиданиями и
прогнозами, последствия вторичных действий, направленных
на компенсацию исходных последствий, вновь расходятся
с целями, и... так далее. Последствия приобретают
лавинообразный неконтролируемый характер, и мы,
по сути дела, живем в мире "последействий" своих собственных
ходов, в искусственном, нами выдуманном и сотворенном мире.
Одна беда: на окружающих нас явлениях и катаклизмах
никто не может проставить бирки и ценники с указанием - кто,
когда и как вызвал эти последствия, за что мы, собственно,
платим и как долго еще будем вынуждены платить.»
(Щедро ви цкий, 1991)
Лесные экосистемы имеют важное биосферное значение и на протяжении столетий испытывают разностороннее воздействие человека. Все это время лес рассматривался исключительно как ресурс для хозяйственной деятельности, и поэтому лесопользование носило и носит до сих пор преимущественно сырьевую направленность.
В последние десятилетия антропогенный пресс на лесные экосистемы всех континентов резко усилился, сократилась площадь лесов в мире, ухудшился качественный состав сохранившихся лесов на фоне возрастания выбросов парниковых и сопутствующих им токсичных газов в атмосферу. Все это вынудило мировое сообщество пересмотреть свое отношение к лесам. На первое место в современном мире выходят уже не ресурсные, а экологические функции лесов, их способность регулировать качество биосферы (Сухих, Уткин, 2003). Возросшее техногенное влияние на леса является одним из основных факторов, ухудшающих их биосферные функции.
На первых этапах изучения действия промышленных эмиссий на леса основное внимание уделялось выяснению механизма действия токсических газов на физиологические процессы растений. В этих исследованиях было
задействовано большое число исследователей, получен огромный объем информации и уже возникла иллюзия решения проблемы. Однако, в начале 70-х годов в странах Европы, в СССР и США процессы техногенной деструкции лесных экосистем стали развиваться столь стремительно, что проблема из сугубо научной начала быстро перерастать в глобальную экологическую и лесохозяиственную. Стало очевидным, что над лесами нависла реальная угроза деградации от загрязнения. Для полной уверенности не хватало достоверной объективной оценки степени этой опасности, основанной на количественных измерениях и обобщениях широкого масштаба. Многочисленные полевые и лабораторные эксперименты, проводившиеся ранее, выполнялись изолированно, разными методами и приборами, без единой программы. Обобщить такие данные в рамках крупных регионов было весьма трудно. Для этого необходима единая теоретическая и методическая основа, единая концепция. В связи с этим исполнительный орган Конвенции по глобальному загрязнению атмосферы при Европейской Экономической Комиссии ООН в июне 1986 г. учредил Международную совместную программу по оценке и мониторингу воздействий загрязнений воздуха на леса (VO Nr.3528/86 des Rates vom 17.11.1986). Целью этой программы явился сбор во всех странах Европы (включая СССР) репрезентативных и сравнимых данных об изменениях в лесных экосистемах под действием техногенного загрязнения среды, оценки их состояния и разработки долгосрочных прогнозов с целью выработки стратегии государств по рациональному использованию лесных ресурсов.
Поскольку задача одновременно была как научной, так и практической, то уже заранее она имела ряд ограничений. Прежде всего, технология проведения мониторинга должна быть простой и понятной работникам лесного хозяйства, которые должны являться непосредственными исполнителями программы, поскольку такие широкомасштабные исследования невозможно осуществить силами только научных организаций. В то же время, методика проведения мониторинга должна дать возможность
получения необходимого минимума информации, адекватно отражающего состояние лесных массивов. Это подразумевает выбор оптимального набора параметров, отвечающих данным требованиям. И самое главное, результаты мониторинга должны быть убедительными и доступными для понимания лицами, принимающими управленческие решения.
В результате было решено провести обследование лесов методом закладки пробных площадей в узлах пересечения координатной сети со стороной квадрата 16x16 км. Таким образом, снижалась доля субъективизма при проведении обследований и достигалось плотное покрытие исследуемой территории реперными точками.
Программа получила название ISP Forest (Level І). В методической основе ее был заложен "мониторинг состояния кроны" посредством оценки потерь листвы/хвои и/или пожелтения кроны. Оценка осуществлялась по 4-балльной шкале с шагом в 30%. К началу 90-х годов эта программа была выполнена в большинстве стран Европы, в первую очередь в Швейцарии, Германии, Австрии, Швеции, в результате чего стало ясно: полученные результаты до такой степени недостаточны для понимания процессов, происходящих в лесных экосистемах, что не удовлетворяют даже администраторов природоохранных ведомств, не говоря уже о научных сотрудниках. Поэтому, в 1991 г. конференция министров по охране окружающей среды стран Европейского содружества (ЕС) в Страсбурге принимает резолюцию о разработке расширенного подхода к оценке состояния лесов и создании дополнительной сети пробных площадей для проведения детальных исследований важнейших типов лесов Европы по более детальной программе ISP Forest (Level II) (VO,Nr.2157/92 zur Anderung der VO Nr. 3528/86). Согласно этой резолюции уже заложенная сеть пробных площадей остается для проведения мониторинга в целях принятия решений по проведению лесохозяйственной политики (планирование рубок, определение целесообразности лесохозяйственных мероприятий и т.п.), а также дальнейшего набора статистических данных по состоянию крон деревьев,
которые бы служили ориентиром для выбора пробных площадей длительного наблюдения в важнейших типах лесов Европы. Последние должны быть заложены уже без координатной сети в лесных массивах, пользуясь нашей терминологией, в "ключевых участках". На них должны быть проведен комплекс следующих исследований:
-периодический мониторинг эдафотопа (по меньшей мере каждые 10 лет), для определения средне- и длительнопроизводных изменений лесных почв (подкисление почв, потеря их питательного потенциала);
-мониторинг состояния кроны (ежегодно), для изучения реакции крон на естественные и антропогенные воздействия, установление временных рамок действия на крону этих факторов и оценки способности ее к регенерации;
-анализ листьев/хвои (каждые 2 года), для оценки временных рамок повреждения листьев и хвои токсичными веществами;
- измерение прихода техногенного вещества (непрерывно), для оценки влияния воздушного загрязнения на лесные экосистемы и степени эффективности проводимых мероприятий по снижению уровня загрязнения атмосферного воздуха;
-измерения прироста (каждые 5 лет), для изучения реакции радиального и линейного приростов на антропогенное влияние, установления взаимосвязи между приростом и состоянием кроны;
-метеорологические наблюдения (непрерывно), для изучения влияния климатических факторов и их экстремальных проявлений на состояние экосистем;
-наблюдения за травяным покровом (ежегодно), для изучения изменения структуры, индивидуальных признаков растений и их жизненности при изменении условий среды.
Эта программа рассчитана на 20 лет и носит прикладной характер. С ее помощью будет получен большой объем информации о влиянии внешних условий и загрязнения воздуха на состояние лесных экосистем. Однако, отсутствие блока физиологических исследований не позволит раскрыть
механизм действия промышленных эмиссий на состояние деревьев и вопрос об их выживании в техногенной среде так и останется открытым. Не нашли места в программе также фитопатологические и энтомологические исследования, хотя в большинстве случаев роль вторичных повреждающих факторов в деструкции лесов бывает неизмеримо большей по отношению к действию поллютантов. Дальнейшие перспективы поврежденных лесов невозможно также оценить без изучения процессов семеношения.
В СССР работы по международной программе мониторинга лесов практически начали разворачиваться лишь в 1988-89 гг. в ряде европейских регионов, но в связи с распадом государства эти исследования были свернуты без достижения каких-либо значительных результатов.
В Центральной и Восточной Сибири с проблемой усыхания лесов под действием техногенного загрязнения столкнулись в конце 60-х начале 70-х годов. К этому времени начали активно действовать предприятия (как правило, "одни из крупнейших в мире") цветной металлургии (Норильск, Красноярск, Братск, Шелехов и др.), целлюлозно-бумажной промышленности (Красноярск, Братск, Байкальск Усть-Илимск), "большой" химии (Ангарск, Усолье-Сибирское). Повсеместно вводились в строй крупные ТЭЦ, работающие на высокосернистых углях. В тот период информация о реакциях экосистем на загрязнение такого масштаба практически отсутствовала и, соответственно, привязка промышленных объектов осуществлялась без учета экологических особенностей территории. При проектировании предприятий в расчеты закладывались санитарно-гигиенические нормы ПДК вредных веществ в атмосфере населенных мест. Однако, растения в несколько раз чувствительнее к токсикантам, чем теплокровные организмы (Николаевский, 1979, 2002; Рожков, Михайлова, 1989). Вследствие этого, уже самим проектированием допускалась неизбежность губительного воздействия промышленности на леса. Последствия этого оказались весьма плачевными. В Братске, например, усыхание лесов началось на второй год после пуска алюминиевого завода (Рожков, Михайлова, 1989). В Южном Прибайкалье
ослабление пихтовников отмечено в следующем году после ввода в строй Байкальского ЦБК (Воронин, 1989).
Не удивительно, что в настоящее время в Сибири фактически выполненными являются исследования поврежденных лесов лишь в отдельных наиболее крупных очагах повреждения растительности промышленными выбросами (районы городов Норильска, Братска, Байкальска, Иркутска, Ангарска и др.). Осуществлены они были в разное время силами специализированных экспедиций "Леспроекта" и научных организаций. Участие последних было вызвано тем, что производственные экспедиции не имели опыта подобных обследований. В основе их работ лежала методика, рекомендованная в "Санитарных правилах в лесах СССР" (1970), учитывающая лишь внешнее состояние дерева по 6 различным градациям и, в силу отсутствия учета специфичности техногенного повреждения древостоев, малопригодная при обследовании лесов, нарушенных промышленными выбросами. Позже она была модифицирована Ботаническим институтом АН СССР (Лесные экосистемы...,1990) и находит сейчас применение при мониторинге лесов. Данные, полученные при обследовании лесов в режиме мониторинга по выше изложенной методике, позволяют получить унифицированный материал, более- менее адекватно отражающий физиологическое состояние древостоев на больших территориях. Однако, при этом остаются открытыми следующие вопросы: каков характер источника повреждения, каковы перспективы развития ослабленных древостоев, имеется ли еще достаточная буферная емкость для сохранения лесных ценозов в гомеостатическом состоянии, велика ли роль вторичных повреждающих факторов и т.д. Для ответа на эти вопросы на загрязненных территориях необходимо проводить комплексные эколого-физиологические (биоиндикационные) исследования.
В России только за последние годы проведен ряд комплексных исследований в различных регионах страны, выполненных на высоком уровне (Дончева,1978; Экологический ...,1988; Волкова, Давыдова, 1987;
Влияние ...,1987; Лесные ...,1990; Арманд и др.,1991; Черненькова, 1991; Вайчис и др., 1992; Мониторинг... 1992; Воробейник и др., 1994; Плешанов и др, 2000, Михайлова и др., 2002, 2003; Черненькова, 2002; Экология..., 2003). В результате получен огромный объем информации о различных аспектах техногенных повреждений лесных ценозов, разработан обширный и разнообразный арсенал методов исследования крупномасштабных повреждений наземных экосистем, позволяющий всесторонне изучить рассматриваемую проблему.
В период 1980-х- 90-х гг. автор принимал непосредственное участие в комплексных детальных исследованиях ослабленных древостоев Южного Прибайкалья, Братского района, Верхнего Приангарья, и эпизодически -севера Красноярского края. Как правило, исследования проводились достаточно большими коллективами специалистов различного профиля, что позволило получить обширные массивы разнообразной информации. Кроме того, эти регионы привлекали внимание и исследователей других организаций, а также государственных специализированных лесоустроительных предприятий. Таким образом, создается уникальная возможность провести обобщение наработанного опыта, по сути своей биоиндикационных исследований, попытаться дать оценку методологии исследований, достаточности примененных методов, и определить «узкие места», требующие дальнейшего изучения.
Методология и методы изучения техногенно нарушенныхлесов
Проблема взаимодействия наземных экосистем с техногенной средой привлекла внимание очень большого числа исследователей. Всплеск интереса пришелся на вторую половину прошлого века, хотя первые работы в этой области датируются концом XIX в.
В разных регионах России были проведены комплексные исследования техногенно ослабленных лесов (Дончева, 1978; СергеЙчик, 1984; Экологический ..., 1988; Волкова, Давыдова, 1987; Влияние ..., 1987; Рожков, Михайлова, 1989; Лесные ..., 1990; Диагностика..., 1990; Арманд и др., 1991; Черненькова, 1991; Вайчис и др., 1992; Мониторинг... 1992; Воробейник и др., 1994; Ярмишко, 1997; Плешанов и др, 2000, Черненькова, 2002, Николаевский, 2002; Торлопова, Ильчуков, 2000 и др.). Детально этот вопрос был проработан в странах Европы и Северной Америки (Carson, 1980; Eckstein, Aniol, 1983; Stahel, 1984; Schweingruber u. a., 1983; Forest ..., 1984; Adams et al., 1985; Johnson et al., 1988; Ecology..., 1992; Oleksin et al., 1996; Forest ..., 2000 и др.)
Сейчас интерес к такого рода исследованиям слегка поутих. Так бывает всегда, когда снят верхний пласт информации, укладывающейся в рамки имеющихся теоретических представлений. Неизбежно должен последовать этап теоретического осмысления полученной новой информации, после которого можно будет двигаться дальше. И этот процесс уже начался. Показательным является появление ряда работ, обобщающих и анализирующих опыт исследований разных сторон техногенного воздействия на леса (Воробейчик и др., 1994; Манько, Гладков, 1999; Васильева и др., 2000; Черненькова, 2002; Николаевский, 2002 и др.). Поэтому, краткий обзор того, что имеется на сегодняшний день и выводы из наработанного многочисленными исследовательскими коллективами, представляют определенный интерес.
На первых этапах изучения действия промышленных эмиссий на леса основное внимание уделялось выявлению морфологических и габитуальных признаков повреждения, выяснению механизмов действия токсических газов на физиологические процессы растений, поиску биоиндикаторов техногенного воздействия, влиянию загрязнения на репродуктивные процессы растений, оценке масштабов деструкции лесных экосистем, разработке норм допустимого воздействия промышленных загрязнителей на биоту. Это, пожалуй, основные блоки проблемы, исследованные с большой детальностью.
Токсическое повреждение древостоев промышленными эмиссиями может вызывать снижение продолжительности жизни хвои деревьев, появление на ней хлорозов и некрозов, возникновение дефолиации, уменьшение линейного и радиального прироста деревьев, изменение их габитуса и еще ряд нарушений. Эти показатели ослабления деревьев достаточно хорошо изучены, составлен ряд различных шкал и таблиц, по которым ведется визуальная оценка жизненного состояния древостоев (Санитарные ..., 1970; Алексеев, 1990; Zing, Bachofen,
Природная специфика районов исследований
Природные условия территории являются средой возникновения и начальными (граничными) условиями развития техногенной экологической ситуации и поэтому, безусловно, являются одним из определяющих элементов последней. Негативное действие техногенных токсикантов на лесные экосистемы изначально может быть усилено или ослаблено природными условиями территории. Орографические и климатические особенности региона могут выступать в роли модифицирующих факторов и обусловливать интенсивность и масштабы повреждения лесов, а также конфигурацию зон ослабления. Экологический статус растительных ценозов (т.е. занимают те или иные сообщества характерную или нехарактерную экологическую нишу, находятся в оптимальных условиях обитания или на границе ареала в пессимальных условиях и т.п.) также играет важную роль в устойчивости лесных экосистем к техногенному загрязнению. Именно С ЭТОЙ точки зрения мы рассмотрим природные условия и постараемся определить стартовые позиции возникновения техногенной экологической ситуации в различных районах Восточной Сибири.
Районы исследований по своим природным особенностям подразделяются на три контрастных группы.
Верхнее и Среднее Приапгарье (Иркутская область) находятся в условиях резко континентального климата. Среднегодовая температура воздуха колеблется в пределах -2,0 -2,6 С, годовая сумма осадков составляет 300-400 мм. Безморозный период достигает 3-4 месяцев. В ряде мест по депрессиям рельефа характерно наличие островной многолетней мерзлоты, глубина залегания которой варьирует от 3 до 9 м (Гидрогеология ..., 1969, 1970).
Иркутская область располагается в центре Азиатского материка. В силу этого она обладает резко континентальным климатом, со значительными перепадами температур, частыми заморозками и коротким вегетационным периодом. Зимой устойчивый сибирский антициклон обусловливает низкие температуры и обеспечивает преобладание ясной безветренной погоды. Антициклоны, особенно часто выраженные в долинах, способствуют возникновению штилевых ситуаций, а в осенний период - туманов, что создает неблагоприятные условия для рассеивания атмосферных эмиссий.
Летом в пределах области наблюдается зона пониженного давления. При взаимодействии различных воздушных масс развиваются атмосферные фронты. Преобладающим является северо-западный перенос атлантических воздушных масс. Поэтому характерной чертой для рассматриваемых регионов служит более сильное воздействие атмосферного загрязнения на территории, расположенной к востоку от источников промышленных эмиссий.
Верхнее Приангарье занимает юго-восточную оконечность Средне-Сибирского плоскогорья и представляет собой всхолмленную равнину, расширенную в северо-западной части и резко сужающуюся в верховьях р.Ангары. На юге и юго-западе она обрамлена отрогами Восточного Саяна, на юго-востоке - отрогами Приморского хребта и Онотской возвышенности, на северо-востоке - Березовым хребтом. Это обстоятельство и частая повторяемость антициклонального типа погоды неблагоприятно сказывается на рассеивании атмосферных эмиссий в юго-восточной части региона (район гг. Ангарска, Иркутска и Шелехова). Более сильное воздействие атмосферного загрязнения на леса отмечено на территории, расположенной к востоку от источников промышленных эмиссий, поскольку весь объем выбросов Иркутско-Черемховского промышленного комплекса канализируется в этом направлении преобладающим северо-западным переносом, оформляясь в единый поток отрогами хребтов.
Химический состав и объемы атмосферных выбросов
В районе Южного Прибайкалья одним из наиболее значимых источников загрязнения является Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат (БЦБК), вступивший в строй в 1966 г. В 80-е годы, последний период наиболее активной работы БЦБК, ежегодный выброс загрязняющих веществ согласно отчетности БЦБК (форма 2ТП-Воздух) составлял, тыс.т: пыль- около 18, сернистый газ - около 6, сульфаты - около 4; сероводород -около 790 т. Во всех аэропромвыбросах (АПВ) БЦБК доля твердых веществ достигала около 60%. Примерно 55% пыли составляют труднорастворимые частицы. С ними в атмосферу ежегодно выбрасывалось: алюминия - около 640 т, железа - 640 т, цинка - 27 т, хрома - 0,6 т, кадмия - 0,3 т, ртути — 2 т, мышьяка - 3 т. С растворимыми частицами выбрасывалось: сульфатов -около 4 тыс.т, натрия - 1,5 тыс.т, калия - 0,03 тыс.т. Кроме этого с территории промышленных районов Иркутской области в Южное Прибайкалье поступает около 35% всех промвыбросов, загрязняющих атмосферу Южного Прибайкалья и около 15% привносится с территорий, отстоящих от Байкала более чем на 1000 км к западу (Чебаненко, 1988). Таким образом, на долю местных источников загрязнения приходится 50% атмосферных выбросов. Практически все это количество поставляется Байкальским целлюлозно-бумажным комбинатом.
Среднесуточные концентрации двуокиси серы в приземном слое воздуха в районе Хамар-Дабана при штиле в летний период могут достигать 39-88 мкг/м . Близкие к этим значения наблюдались также при низкой мощной облачности и высокой относительной влажности воздуха. Фоновые концентрации в районе р.Быстрой в это время составляли 5-Ю мкг/м (Павлов, 1995), В местообитаниях в радиусе 5 км от БЦБК на высоте 800 м над ур.моря рН дождевой воды составляет 5,7 (юго-восточнее комбината) и 6,2 (юго-западнее комбината); однако на высоте 1100 м - 4,7 и 5,8; на высоте 1400 м - 4,7 и 4,8. В последнем случае мы имеем дело с типичным проявлением эффекта "кислых осадков". Именно в этих высотных поясах и происходит первоначальное и наибольшее повреждение пихтовых древостоев. В 2000/2003 гг. суммарные выбросы БЦБК составили 7,9/6,9 тыс.т, из них диоксида серы - 2,7/2,1 тыс.т, а сероорганики (2000г.)- около 300 т. (Государственный ...,2001, 2004). В связи со спадом производства и снижением выработки беленой и небеленой целлюлозы произошло заметное сокращение объема промышленных выбросов.
В районе Верхнего Приангарья, а также в Братском районе наиболее значимыми с точки зрения фитотоксикологии источниками загрязнения являются алюминиевые заводы, в составе атмосферных выбросов которых присутствуют соединения фтора. Братский алюминиевый завод (БрАЗ) начал действовать в 1966 г. К 1971 г. объем его валовой продукции достиг половины, и к 1977 г. — 100% проектной величины. В середине 70-х гг. заводом ежесуточно выбрасывалось в воздух 17,2 т соединений фтора. Этого количества достаточно, чтоб их концентрация превышала ПДК (санитарную) на расстоянии 100 км от завода (Соков, 1979). В 2000/2003 гг. в атмосферу БрАЗом было выброшено более 3/2,3 тыс.тон соединений фтора, в то время как в 90-е гг. ежегодный выброс их составлял в среднем около 4,5 тыс.т. (Государственный ..., 2001).
Производственные мощности ИркАЗа уступают таковым БрАЗа в 3,2 раза (Соков, 1979). В 2000/2003 гг. выброс соединений фтора ИркАЗом составил около 1/1,5 тыс.т, при ежегодном выбросе этих соединений в 90-е гг. в среднем 1,2 тыс.т (Государственный ..., 2004). При этом выброс наиболее агрессивного агента- фтористого водорода, достиг в 2003 г. 50% от уровня начала 90-х годов.
Кроме того, в атмосферу Приангарья в 90-х гг ежегодно поступало, в среднем, до 80 тыс.т диоксида серы от предприятий г. Ангарска, около 10 тыс.т - г. Братска, более 10 тыс.т от предприятий г.Усолье-Сибирское и более 20 тыс.т поставили в атмосферу предприятия г.Иркутска. В целом за 90-е гг. ежегодный средний выброс диоксида серы составлял не менее 120 тыс.т (Государственный ..., 2001).
