Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние изученности вопроса 8
1.1 Значение биологического разнообразия 8
1.2 Состояние и значение насаждений дуба черешчатого 16
1.3 Проблема парникового эффекта. Роль лесов в углеродном цикле 19
2 Ландшафтно-климатическая характеристика 32
2.1 Климат 32
2.1.1 Температура воздуха, осадки, ветер 32
2.2 Рельеф. Гидрография. Почвы 34
2.3 Растительность , 36
2.3.1. Лесные насаждения ЦЧР 37
3 Методика, объем выполненных работ и характеристика объектов исследования 41
3.1 Закладка пробных площадей 41
3.2 Определение лесоводственно-таксационной характеристики насаждений 42
3.3 Изучение жизнеспособности насаждений 43
3.4 Методика оценки биоразнообразия 44
3.5 Учет фитомассы насаждения и определение запаса углерода 46
3.6 Характеристика объектов исследования 48
4 Биологическое разнообразие в дубовых экосистемах 66
4.1 Видовое разнообразие дубовых насаждений 66
4.1.1 Альфа-разнообразие в дубраве осоко-снытьевой 66
4.1.2 Альфа-разнообразие в дубняке субори травяной 84
4.1.3 Альфа-разнообразие в дубраве снытьево-осоковой 93
4.1.4 Альфа-разнообразие в пойменной дубраве 103
4.2 Отношения между группами травянистых растений 108
4.3 Бета-разнообразие в дубовых экосистемах 111
4.4 Рекреационная обстановка дубрав 114
5 Запас углерода в основных компонентах лесного фитоценоза 118
5.1 Запас углерода в фитомассе древостоя 118
5.2 Запас углерода в подлеске и живом напочвенном покрове 123
5.3 Запас углерода в подстилке и почве 125
5.4 Участие древесного детрита в углеродном балансе 126
5.4.1 Состояние деревьев дуба черешчатого 126
5.4.2 Запас углерода в древесном детрите 128
5.5 Содержание углерода в основных депо лесного фитоценоза 130
5.6 Эмиссия кислорода и сток углекислого газа дубовыми насаждениями 133
6 Биоразнообразие и углеродный баланс в дубовых экосистемах 144
Выводы 149
Литература 151
Приложения 164
- Значение биологического разнообразия
- Температура воздуха, осадки, ветер
- Определение лесоводственно-таксационной характеристики насаждений
Введение к работе
Актуальность темы. На Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992) большое внимание было уделено проблеме глобального изменения климата и проблеме сохранения биологического разнообразия.
Изменение климата - одна из наиболее сложных проблем окружающей среды. Мнения ученых о причинах глобального потепления противоречивы. В процессе формирования климата Земли отмечает "теплые" и "холодные" периоды. Их продолжительность связывают с такими явлениями как колебание угла наклона земной оси, смещение орбиты Земли относительно Солнца, активность солнечных пятен, вулканическая деятельность. Эти факторы оказывают влияние на концентрацию углекислого газа в атмосфере. К одной из основных причин, вызывающих изменение климата, относят повышение концентрации парниковых газов, главным образом СОг, в атмосфере. В последние 200-300 лет отмечено повышение концентрации углекислого газа в атмосфере на 30 %. Это вызвано развитием промышленности, сжиганием ископаемого топлива, интенсивным обезлесиванием. Происходит активное воздействие человека на климат планеты и природные экосистемы. Незначительное потепление климата может вызвать существенное изменение природной среды и приведет к непредсказуемым социально-климатическим последствиям в жизни человека. Биоразнообразие является основой жизни на Земле. Интенсивная хозяйственная деятельность приводит к катастрофическому сокращению числа видов и целых экосистем. Изменение климата приведет к изменению видового состава многих экосистем. В связи с этим возникла необходимость "консервации" углерода, за счет увеличения естественных хранилищ этого элемента в природном круговороте. В глобальном депонировании углерода среди наземных систем, наряду с болотами, ведущая роль принадлежит лесам. Основные хранилища углерода в лесах - фитомасса, древесный детрит, лесная подстилка, гумус почвы, торф. Объем углерода в лесных биогеоценозах про лен запасам стволовой древесины. Повышение продуктивности насаждений способствует увеличению депонирования углерода. Увеличение продуктивности насаждений - одна из основных целей ведения лесного хозяйства. Увеличение объемов стока углерода, сроков его удержания возможно за счет увеличения площади лесного фонда, путем облесения не покрытых лесом площадей и земель не пригодных для сельскохозяйственного пользования. Существенную роль играют также - защита лесов от пожаров и вредителей. При создании лесных культур и проведении лесохозяйственных мероприятий существует необходимость в определении насаждений, обеспечивающих наибольший сток углерода.
Одной из ценных лесообразующих пород Центрально-Черноземного региона, в частности Воронежской области, является дуб черешчатый. Нерациональное использование привело к сокращению лесистости области. Площадь продуктивных дубрав сократилась и продолжает сокращаться.
Дубравы обладают высоким разнообразием и их средообразующая роль велика. Для оценки углерододепонирующей функции дубрав необходимо учитывать биологическое разнообразие в основных типах леса дубовых насаждений.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в изучении биологического разнообразия и углеродного баланса дубовых экосистем для определения древостоев, эффективно выполняющих углерододепонирующую функцию в условиях Центральной лесостепи. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) оценка видового разнообразия (альфа-разнообразия) растений;
2) установление степени флористического сходства между сообществами разных типов леса (бета-разнообразие);
3) выяснение роли основных компонентов лесного фитоценоза (древостой, подлесок, живой напочвенный покров, крупный древесный детрит, подстилка, почва) в углеродном балансе;
4) изучение годичного депонирования углерода и выделения кислорода дубовыми насаждениями;
5) выявление связи между видовым разнообразием и показателями углеродного баланса.
Научная новизна. Для дубовых экосистем Центральной лесостепи (на примере Воронежской области) получены данные о видовом разнообразии травянистой, кустарниковой и древесной растительности в основных типах леса. Определены количественные показатели запаса углерода в древостое и его фракциях; в основных компонентах лесного фитоценоза - подлеске, живом напочвенном покрове, крупном древесном детрите, подстилке. Выявлены особенности депонирования углерода дубовыми насаждениями в различных типах леса.
Практическая значимость. Полученные данные могут быть использованы для разработки лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение депонирования углерода дубовыми насаждениями для зоны Центральной лесостепи. Результаты исследований пригодны для организации и проведения мониторинга в дубовых лесах Центральной лесостепи.
На защиту выносятся:
1. Оценка биологического разнообразия дубовых экосистем.
2. Запас углерода по фракциям фитомассы и годичное депонирование углерода.
3. Особенности депонирования углерода в зависимости от биологического разнообразия.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на межвузовских и внутривузовских конференциях (Воронеж 2002, 2004), на Всероссийской научно-практической конференции в Ульяновске (2003), международной научно-технической конференции (Брянск 2004).
Личный вклад. Автором разработаны программа и методика исследований, выбраны объекты, собран, обработан и проанализирован материал, написана диссертация.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.
Структура и объем рукописи. Диссертация изложена на 176 страницах, включая характеристику и содержание работы, состоящее из 6 глав и выводов. Материалы исследований иллюстрированы 52 рисунками и 25 таблицами. Список литературы содержит 151 наименование, из которых 14 на иностранных языках.
Значение биологического разнообразия
Число видов организмов, населяющих Землю, очень велико. Оценки этой величины варьируют от 5 до 80 миллионов. Из этого числа видов четкая таксономическая принадлежность установлена всего для 1,4 миллиона видов, из них примерно 750000 - насекомые, 41000 - позвоночные животные, 25000 -растения. Остальные виды представлены беспозвоночными животными, грибами, водорослями и микроорганизмами.
Видовое богатство различных климато-географических зон сильно отличается, увеличиваясь от полюсов к экватору. Например, число пресноводных насекомых в тропических лесах в 3-5 раз больше, чем в лесах умеренного климата. Во влажных тропических лесах Латинской Америки на одном гектаре встречается 40-100 видов деревьев, тогда как на востоке Северной Америки 10-30 видов.
На основе отечественных и зарубежных исследований выявлены следующие закономерности изменения биологического разнообразия в планетарном масштабе: 1) биоразнообразие на всех уровнях пропорционально логарифму от количества тепла и влаги и их соотношения, а также свойств почво-образующей породы; 2) биоразнообразие изменяется пропорционально сложности рельефа и разнообразию почвообразующих пород (в сходных климатических условиях в горах биоразнообразие всегда выше); 3) биоразнообразие тем выше, чем больше время непрерывного развития биологических систем (Исаев, 1997).
Биоразнообразие является основой жизни на Земле. Многие виды сыграли главную роль в становлении климата на планете и остаются мощным стабилизирующим фактором в отношении климата (Никаноров, 2003).
В результате интенсивной хозяйственной деятельности человека число видов катастрофически сокращается. Опасность, грозящая биоразнообразию, постоянно возрастает. Между 1990 и 2020 гг. могут исчезнуть от 5 до 15 % видов, причиной чего считают обезлесивание в тропиках. Это составит от 15000 до 50000 видов в год или от 40 до 140 видов в день. Дождевые тропические леса являются самыми богатыми экосистемами на планете. Занимая 8 % площади планеты, они дают местообитание половине живущих на земле видов животных. Эта экосистема отличается не только богатством видов, но и полным биологическим круговоротом. Каждый год на Земле погибают тропические леса на площади 11,1 млн. га (т.е. 21 га каждую минуту). Сокращение 70 % тропических лесов ведет не только к исчезновению видов, которые обитали на уничтоженных участках леса, но и к сокращению до 30 % численности видов, обитающих на соседних участках (Ньюмен, 1989; Никаноров, 2003).
Тропические леса являются гарантом стабильности климата. По мнению некоторых специалистов, разрушительное влияние Эль-Ниньо отчасти обусловлено уничтожением тропических лесов (Gaultie, 1999).
Помимо утраты среды обитания и чрезмерной эксплуатации природных ресурсов причинами исчезновения многих видов являются загрязнение окружающей среды и неразумная интродукция человеком экзотических видов.
Люди используют в пищу около 7000 видов растений, но 90 % мирового продовольствия создается за счет всего 20 видов. Биологические ресурсы служат источником сырья для медицинской промышленности.
Значение диких растений и животных для человека не исчерпывается пищевой ценностью. Они являются обязательным компонентом природных экосистем. Биоразнообразие считают главным фактором, определяющим устойчивость биохимических циклов вещества и энергии в биосфере.
Температура воздуха, осадки, ветер
Территория Центрального Черноземья верхним течением Дона делится на две части. Правобережье образовано Среднерусской возвышенностью, а левобережье представлено Окско-Донской низменностью. Среднерусская возвышенность в пределах ЦЧР представляет собой плато, расчлененное густой сетью оврагов и балок, с отметками 230-260 м над уровнем моря. Окско-Донская низменность имеет абсолютные высоты 160-180 м над уровнем моря. Лишь на юге Воронежской области, в районе Калачской возвышенности, они достигают 230-240 м.
Территория Воронежской области находится в пределах центральной части Русской платформы и, начиная с докембрия, прошла длительный путь геологического развития. Образование наиболее древних кристаллических пород в центральной части крупного сводового поднятия Русской платформы -Воронежской антеклизы - началось 3-3,5 млрд. лет назад ("География Воронежской области", 1998). Позднее кристаллический фундамент, представленный гранитами, гнейсами, кварцитами, стал скрываться под чехлом осадочных отложений. Морские режимы осадконакопления сменились континентальными режимами, когда происходило их разрушение. Поэтому осадочный чехол отличается разнообразием пород.
Отложения четвертичного периода кайнозойской эры перекрывают более древние. Как правило, они связаны с проникновением на территорию области покровного оледенения. Ледник пришел со стороны Скандинавского полуострова до линии Старая Криуша, Русская Журавка, Русская Буйловка, Под-горенский. Поверхность ледника представляла собой грязе-каменную массу, вросшую в лед. Мощность тела ледника, покрывавшего Воронежскую область, составляла несколько сотен метров. Оставленные ледником отложения (морена) состоят из красно-бурой глины, песков, суглинков, валунов кристаллических горных пород.
К числу наиболее молодых отложений относятся покровные суглинки, образовавшиеся после ухода ледника. На них сформировались самые плодородные почвы области - черноземы.
Геологическое строение территории оказывает большое влияние на особенности рельефа поверхности и современные рельефообразовательные процессы, распределение и особенности формирования почв, а через них отчасти определяет размещение растительных сообществ.
По Среднерусской возвышенности в западном направлении стекают левые притоки Днепра - Десна с Сеймом, Псел, Ворскла; на юг - Северский Донец с Осколом; на север и северо-запад - Ока с притоками. Стекающие по более крутому восточному склону Среднерусской возвышенности правые притоки Дона представлены некрупными реками - Сосной, Потуданью, Тихой сосной. По Окско-Донской низменности текут левые притоки Дона - Воронеж, Битюг, Хопер. В северном направлении низменность пересекает правый приток Оки - Цна.
На территории Воронежской области насчитывается 233 реки длиной свыше 10 км каждая. Средняя густота речной сети 268 м на 1 кв. км. Реки на ее территории типично равнинные. Они характеризуются небольшими уклонами русла, его извилистостью, медленным течением. Реки, извиваясь по широким поймам, образуют много заводей. В поймах много озер-стариц и заболоченных мест. Болотами занято около 1 % всей площади области. Они, как и озера, чаще встречаются в поймах Битюга, Воронежа, Черной Калитвы, Хопра.
Кроме первой пойменной различают от трех до пяти надпойменных террас Дона, высота которых от 2-4 до 100-120 м. Ширина - от нескольких сот метров до десятков километров. В пределах ЦЧР наибольшую площадь занимают вторая и третья надпойменные террасы Дона и его притоков. Поверхность террас волнистая.
Наиболее характерными и преобладающими почвами в регионе являются черноземы различной мощности. Массив мощных черноземов от Дона, куда он выходит на участке г. Воронежа до устья Битюга, широкой полосой тянется в направлении к востоку - северо-востоку. К юго-востоку от линии Борисог-лебск - Бобров - Алексеевка - Валуйки почвенный покров представлен обыкновенными черноземами.
Самый крупный массив подзолистых почв расположен вдоль Цны шириной 50-60 км. Второй по величине массив вытянут полосой 15-25 км вдоль Воронежа, главным образом, по его левому берегу. В других областях Центрального Черноземья подзолистые почвы встречаются лишь в виде небольших массивов. Общая площадь, занятая почвами подзолистого типа, не превышает 10 % территории ЦЧР.
Вдоль границ надпойменных террас образуются полосы бугристых песков. На водораздельных пространствах песчаные отложения встречаются редко, в виде небольших участков.
Определение лесоводственно-таксационной характеристики насаждений
Лесоводственно-таксационную характеристику объектов исследования устанавливали в процессе изучения растительности на пробных площадях: древостоя, подлеска, подроста, напочвенного покрова и эдафиче-ских условий.
После ограничения пробных площадей визирами приступили к описанию древостоя. Определили происхождение, состав, полноту, возраст и другие лесоводственные признаки древостоя. Происхождение древостоя устанавливали глазомерно. Возраст древостоя определили подсчетом годичных колец на кернах древесины. Полноту древостоя находили по стандартной таблице суммы площадей сечений, запас дуба - по объемным таблицам Б.Н. Шустова; ясеня, клена, липы и других пород - по таблицам Т.П. Моисеенко.
Для получения данных о характере возобновления проводили учет подроста и подлеска. На каждой пробной площади для учета подроста закладывали 10 равномерно размещенных площадок размером 2 х 2 м. При описании подроста на каждой пробной площади устанавливали следующие показатели: породный состав по соотношению числа жизнеспособных экземпляров; среднюю высоту; количество в тыс. шт./га; размещение (равномерное, неравномерное, куртинно-групповое),
Для учета подлеска закладывали 5 учетных площадок на каждой пробной площади размером 5x5 м способом "конверт", равномерно распределенных. По данным учета указывали состав по породам, среднюю высоту, густоту, сомкнутость, равномерность распределения. Для выявления распределения растительности все пробные площади разбивали на площадки размером 2x2 м. При определении видов лесных трав, древесных и кустарниковых растений использовали определители И.М. Хомяковой (1974) и Ю.Е. Алексеева (1997).
Устойчивость сообществ дуба устанавливали как реакцию на неблагоприятные факторы среды, проявляющиеся в виде усыхания кроны, образования новых структурных форм (водяных побегов), злокачественных новообразований. Жизнеспособность - оценка жизненного состояния особей, мера потенциальной устойчивости к неблагоприятным условиям и способность к адаптации (Бебия, 2000).
По жизнеспособности деревья дуба на пробных площадях подразделяли на следующие категории ("Руководство по улучшению...", 1997):
1 - здоровые деревья, с зеленой неповрежденной листвой, усохших ветвей нет, только естественное отмирание нижних сучьев;
2 - деревья с поврежденной листвой (вредителями или мучнистой росой), усохших ветвей в кроне нет;
3 - слабо усыхающие, с наличием усыхания от единичных усохших ветрей до 25 % ветвей кроны;
4 - сильно усыхающие, усохшие ветви составляют более 25 % ветвей. В эту категорию не входят деревья с полностью усохшей кроной, но образовавшие новую из водяных побегов;
5 - деревья полностью усохшие, отмершие и необразовавшие водяных побегов по стволу.
