Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние загрязнения воздуха на жизненное состояние лесных насаждений (обзор литературы)
1.1. Общие вопросы влияния загрязнения воздуха на лесные насаждения 7
1.2. Влияние загрязнения воздуха на надземную часть древесных растений 17
1.3. Влияние загрязнения воздуха на подземную часть древесных растений 33
Глава 2. Характеристика района исследования. Объект и методы исследования.
2.1. Характеристика района исследования
2.1.1. Расположение, геология, гидрография и рельеф 38
2.1.2. Климат 39
2.1.3. Почвы 40
2.1.4. Растительные ресурсы 42
2.2. Расположение и характеристика пробных площадей 43
2.3. Методики исследования
2.3.1. Исследование относительного жизненного состояния лесных насаждений 46
2.3.2. Исследование ассимиляционного аппарата 48
2.3.3. Исследование корневых систем деревьев 49
2.3.3.3. Метод бура 50
2.3.3.1. Метод среза 50
2.3.3.2. Метод монолитов 51
2.4. Эколого-биологическая характеристика ели сибирской 54
Глава 3. Особенности формирования надземных органов ели сибирской в условиях нефтехимического загрязнения
3.1. Оценка относительного жизненного состояния насаждений ели сибирской 73
3.2. Динамика приростов побегов 76
3.3. Динамика приростов хвои 78
3.4. Динамика изменения массы хвои 81
3.5. Радиальный прирост стволовой древесины 84
Глава 4. Особенности формирования корневых систем ели сибирской в условиях нефтехимического загрязнения
4.1. Метод «бура»
4.1.1. Масса корней 89
4.1.2. Длина корней 97
4.2. Метод «среза» 104
4.3. Метод «монолитов»
4.3.1. Масса корней 111
4.1.1. Длина корней 117
Глава 5. Дендроэкологические особенности ели сибирской в условиях нефтехимического загрязненaия 123
Выводы 136
Список использованной литературы 138
Приложения 161
- Общие вопросы влияния загрязнения воздуха на лесные насаждения
- Расположение, геология, гидрография и рельеф
- Оценка относительного жизненного состояния насаждений ели сибирской
Введение к работе
В крупных промышленных центрах (одним из которых является Уфимский) существует актуальная проблема создания устойчивых древесных насаждений, способных выполнять роль фитофильтра. Функция фитофильтра осуществляется за счёт поглощения значительной части газообразных поллютантов из воздуха, но превышение предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе угнетает рост и возобновление лесных насаждений (Гетко, Кулагин, Яфаев, 1978; Николаевский, 1979). Поэтому при создании устойчивого фитофильтра основополагающим должен быть принцип правильного подбора видов древесных растений.
Для успешного функционирования фитофильтра древесные виды, входящие в его состав, должны сохранять в техногенных условиях без значительных изменений способность к росту и возобновлению естественным путём. Для фитофильтра характерна годичная ритмика периодичности в поглощении и способность к самоочистке за счёт ежегодного листопада. При этом следует заметить, что листопадные культуры быстрее избавляются от загрязняющих веществ по сравнению с хвойными, которые накапливают токсиканты в многолетней хвое (Баталов, Кулагин, 1996).
Отмечается пониженная газоустойчивость хвойных пород по сравнению с лиственными (Ткаченко, 1952), однако введение хвойных видов древесных в состав санитарно-защитных лесонасаждений имеет важное преимущество, а именно: возможность функционирования промышленного фитофильтра круглый год. Загрязнение воздуха в первую очередь влияет на надземную часть древесных растений. Воздействие промышленных загрязнителей на корневые системы древесных растений в настоящее время изучено в недостаточной степени. Но именно благодаря особенностям строения корневых систем деревья, чья надземная часть сильно поражена
техногенными выбросами, продолжают успешно произрастать в условиях загрязнения (Ярмишко, 1997).
Согласно данным Государственного доклада (Государственный доклад..., 2005, 2006), в Уфимском промышленном центре преобладает углеводородное промышленное загрязнение с преимущественным содержанием в составе выбросов смесей предельных и непредельных углеводородов. Влияние нефтехимического загрязнения Уфимского промышленного центра на светлохвойные породы было детально изучено (Баталов и др., 1981; Зайцев и др., 2001; Кулагин, Зайцев 2002; Зайцев, Кулагин, 2003, 2005; Зайцев, Шарифуллин, 2004; Шарифуллин, 2005). Аналогичных детальных исследований по ели сибирской, являющейся важным лесообразователем Республики Башкортостан (Путенихин и др., 2005), не проводилось. Таким образом, отметим, что воздействие углеводородного типа загрязнения атмосферы на лесные сообщества с участием ели сибирской имеет свои специфические особенности, требующие дальнейшего изучения.
Актуальность работы состоит в изучении влияния нефтехимического (углеводородного) типа загрязнения воздуха на хвойные насаждения с участием ели сибирской.
Цель данной работы - изучение особенностей формирования ассимиляционного аппарата и строения корневых систем ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в условиях техногенного загрязнения окружающей среды и разработка рекомендаций по использованию данного вида при создании санитарно-защитных лесонасаждений вблизи источников нефтехимического загрязнения и при озеленении городов, являющихся крупными промышленными центрами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оценить относительное жизненное состояние насаждений ели сибирской в условиях углеводородного загрязнения.
Изучить особенности роста и развития побегов и ассимиляционного аппарата ели сибирской в условиях техногенеза.
Изучить влияние промышленного загрязнения на формирование корневых систем ели сибирской.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые для Башкирского Предуралья получены количественные характеристики развития надземной части и корневой системы ели сибирской в условиях промышленного центра с преобладанием углеводородного загрязнения.
Практическая направленность работы заключается в составлении практических рекомендаций по внедрению ели сибирской в состав санитарно-защитных насаждений при озеленении промышленных центров с преобладающим нефтехимическим типом загрязнения окружающей среды.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты №№05-04-97901, 05-04-97903, 05-04-97906).
Исследования проводились в 2003-2006 годах в период прохождения обучения в очной аспирантуре Института биологии Уфимского научного центра Российской академии наук.
Выражаю глубокую благодарность своему научному руководителю, кандидату биологических наук, доценту Г.А. Зайцеву, доктору биологических наук, профессору А.Ю. Кулагину и коллегам из Института биологии УНЦ РАН за практические советы и помощь в освоении методик исследования.
Данная работа была выполнена благодаря практической помощи Е.В. Скотниковой, к.б.н., доцента Р.В. Уразгильдина, СМ. Дашкина и д.б.н. А.Х. Мукатанова, которым автор выражает глубокую признательность.
Общие вопросы влияния загрязнения воздуха на лесные насаждения
Выбросы вредных веществ в окружающую среду промышленными предприятиями Башкортостана и интенсивная хозяйственная деятельность привели к значительной трансформации лесных систем. Проблема усугубляется воздействием основных антропогенных загрязнений атмосферы в результате трансграничных переносов, что должно рассматриваться не как отдельное явление, а во взаимосвязи. Показано наличие прямой взаимосвязи между уничтожением лесов и усилением антропогенного загрязнения атмосферы (Леса Башкортостана..., 1997).
В пределах Башкирского Предуралья в подзоне смешанных широколиственных лесов расположен ряд центров нефтепереработки и нефтехимии, к таковым относится комплекс предприятий г. Уфы. Зона распространения промышленных выбросов включает городскую территорию, пригороды и приурочена к водоразделу и долинам рек Белой и Уфы (Кулагин, Баталов, 1986).
Лесные экосистемы играют большую роль в поддержании стабильности природных процессов и выполнении защитных функций, нейтрализуя часть газообразных ингредиентов, выбрасываемых в атмосферу. Поллютанты из воздуха вовлекаются в биохимический круговорот; тем самым токсиканты переводятся на другой качественный уровень. При этом, разумеется, не устраняется их опасность (Леса Башкортостана..., 1997). В то же время превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе ухудшает рост и состояние лесов (Кожухов, 1989). На зеленые насаждения нельзя рассчитывать как на неограниченный естественный поглотитель токсичных газов. К тому же деревья и кустарники в течение 5-7 зимних месяцев, в зависимости от географического расположения местности, остаются без листвы (Пряхин, 1966).
Большинство поллютантов, особенно соединения серы, азота, углерода, некоторые металлы, при поглощении из атмосферы могут использоваться растениями как источник макро- и микроэлементов для построения ряда структурных и функциональных систем (Гетко, 1989). Эти особенности древесных растений позволяют рассматривать естественные и искусственные лесные сообщества в индустриальных районах в качестве промышленного фитофильтра, выполняющего функции по доочистке атмосферы. Фитофильтр должен при любых погодных условиях обеспечивать очистку атмосферного воздуха до уровня санитарно-гигиенических стандартов ПДК (Кулагин, 1980; Никитин, 1985а, 19856, 1985в; Никитина, 1985; Никитина и др., 1986; Никитина, Никитин, 1986; Шобанова, 1987, 1988; Шилова, Махнев, 1988).
Основным условием для функционирования фитофильтра является наличие в его составе видов древесных растений, способных сохранять без существенных изменений рост и долговечность, а также успешно возобновляющихся естественным путем в техногенных условиях. Древесно-кустарниковые насаждения, выполняя функции фильтра, неизбежно придают фитофильтру ряд специфических черт. Это, во-первых, обусловленная годичной феноритмикой резко выраженная периодичность в поглощении, во-вторых, увеличение емкости поглощения с возрастом по мере увеличения биомассы, в-третьих, способность к самоочистке за счет ежегодного листопада, в-четвертых, повышенная чувствительность к внешним факторам и ограниченный запас прочности, в-пятых, способность к «автоматическому ремонту» за счет регенерации поврежденных органов (Кулагин, 1985; Дендроэкология..., 1996).
В силу анатомо-морфологических и физиолого-биохимических особенностей, сформированных в фило- и онтогенезе, газоустойчивость и поглотительная способность различных древесных растений неодинаковы (Неверова, 2002). Разными авторами рекомендуются сходные списки видов древесных пород, устойчивых или, наоборот, чувствительных к техногенному загрязнению. К устойчивым чаще всего относят клен остролистный, лох узколистный, тополь канадский, черный и бальзамический, многие виды ив, ясень гладкий (латинские названия видов приведены в Приложении 1). К чувствительным обычно причисляют липу мелколистную, тополь дрожащий и сосну обыкновенную (Сергейчик, 1985; Акопджанян и др., 1985; Кулагин, 1987; Дендроэкология..., 1996). В целом можно сказать, большинство видов хвойных древесных характеризуется меньшей репродукционной способностью, более чувствительны к вредному действию дымовых газов, чем лиственные породы и лиственница (Ткаченко, 1952).
Н.П. Красинский (1937, 1950) предложил различать 3 вида газоустойчивости растений - биологическую, морфолого-анатомическую и физиологическую. У газоустойчивых растений окисляемость клеточного содержимого ниже, а газочувствительных - выше. На изменчивость газоустойчивости растений в течение суток указывал М.Д. Томас (1962), наблюдавший, что листья более восприимчивы к действию сернистого ангидрида по утрам. Н.П. Красинский (1950) установил, что в течение вегетации с возрастом листьев общая окисляемость обычно увеличивается. Имеются указания на изменение устойчивости древесных растений в зависимости от возраста (Красинский, 1937, 1939) - устойчивость с возрастом увеличивается. Пельц (Pelz, 1956), наоборот, отмечал, что молодые деревья повреждаются меньше, чем старые или средневозрастные.
Устойчивость лесных насаждений к загазованности и задымленности воздуха определяется следующими параметрами: условиями местопроизрастания (на плодородных почвах насаждения более устойчивы, чем на бедных); неблагоприятные гидрологические условия (избыточное увлажнение, недостаточная влагообеспеченность почв) и определенный химический состав почв (засоленность и солонцеватость) снижают устойчивость насаждений; породным составом (лиственные породы более устойчивы, нежели хвойные). Также устойчивость лесных насаждений к загазованности и задымленное воздуха зависит от строения насаждений (густые леса с обильным подлеском, ненарушенной структурой, более устойчивы, чем изреженные искусственные леса) (Влияние хозяйственной деятельности..., 1978).
Древостой, произрастающие в долинах рек, на почвах с хорошим дренажем, более устойчивы, чем древостой на почвах водоразделов, где дренаж затруднен (Менщиков и др., 1989). Деревья, стоящие на краю леса, больше повреждаются, чаще отмирают. Воздействие нефтяных газов на деревья и кустарники неодинаково в разные периоды года. Наибольший вред они причиняют весной, во время распускания почек и формирования молодой листвы. Промышленные эксгалаты могут быть непосредственной причиной усиленного тератогенеза и мутирования древесных растений (Кулагин, 1980). Техногенное загрязнение является мощным фактором изменения популяционной структуры. Под влиянием промышленных выбросов значительно увеличиваются темпы мутаций, повышается частота нарушений сегрегации аллелей гамет (Янбаев, 2002). Отмечена тенденция деградации фитоценозов до однокомпонентних, с замещением естественной растительности рудеральными растениями (Тарчевский, 1964).
Расположение, геология, гидрография и рельеф
Уфимский промышленный центр находится на Бельско-Уфимском водоразделе, имеющем вид плато, которое сильно расчленено реками Белая, Уфа, Сутолока и многочисленными оврагами. Абсолютные отметки высот от 65 до 300 м (Физико-географическое районирование..., 1969). В структурном отношении территория относится к юго-западному склону Баширского свода с глубиной кристаллического фундамента 250-5500 м. В геологическом аспекте наблюдается преобладание уфимских (верхнепермских) красноцветных пород: песчаников, глин, мергелей, известняков, доломитов, ангидритов и гипсов (Ожиганов, 1961; Рождественский, Журенко, 1961). На территории города Уфы, а именно в полосе пород кунгура, широко представлены карстовые формы рельефа, и наблюдается интенсивное карстообразование (Кудряшов, 1961). В городе Уфа климат - умеренно континентальный (индекс континентальности по Ценкеру составляет 55%) (Алисов, 1955). Климат Уфимского района относительно влажный, лето теплое, зима умеренно суровая. Среднее поступление суммарной солнечной радиации составляет 4089 Мдж/м2. Преобладающим ветром в течение года является юго-западный (повторяемость ветров - 26%) и южный (повторяемость ветров - 24%), при этом повторяемость штилей - 21%. Отмечается частая повторяемость ветров северных румбов в теплое время года (С, СЗ, СВ), в связи с чем расположение промышленной зоны в северной части города негативно влияет на состояние лесонасаждений, призванных выполнять функцию фитофильтра.
Средняя годовая температура воздуха составляет +2,5 С, годовая амплитуда температур - 32 С. Самым холодным месяцем года является январь - (-14,6 С - средняя месячная температура, абсолютный минимум -48,5 С), самый теплый - июль (+19,0 С - средняя месячная температура, абсолютный максимум +38,6 С). Средняя годовая сумма осадков - 447 мм, летом нередко наступают засухи. В среднем за год насчитывается 164 дня со снежным покровом, который достигает наибольшей высоты в феврале (40 см) (Агроклиматические ресурсы..., 1976; Климат Уфы, 1987).
Безморозный период продолжается 120 дней (с 20 мая до 18 сентября), продолжительность вегетационного периода составляет в среднем 136-139 дней (с 5 мая до 20 сентября), сумма активных температур (выше 10 С ) за сезон - 2200-2300 С. За период активной вегетации выпадает в среднем 225-235 мм осадков.
Уфимский район находится в зоне с высоким уровнем загрязнения атмосферы. Наблюдается частая повторяемость (особенно в теплое время года) слабых (менее 1 м/с) ветров, штилей, приземных инверсий и застоев воздуха, что способствует увеличению атмосферного загрязнения Уфимского промышленного центра (Климатические характеристики..., 1983).
Имеется широкий список работ по описанию почв Уфимского района, исходя из которых можно составить достаточно подробную характеристику почв района, почвенный покров которого отличается разнообразием - в северной части преобладают серые лесные, темно- и светло-серые лесные, в южной и юго-западной части - черноземы (типичные и выщелоченные). Почвообразующие породы представлены делювиальными и элювиально-делювиальными отложениями, по долинам рек - аллювиально-делювиальные отложения. Почвы района отличаются тяжелым механическим составом (в основном тяжело- и среднесуглинистые), слабо и средне эродированные, причем преобладающей является эрозия от стока талых и ливневых вод (Богомолов, 1954; Тайчинов и др., 1959; Серые лесные почвы..., 1963; Барангулова и др., 1969; Тайчинов, Бальчук, 1975; Хазиев и др., 1985; Мукатанов, 1993; Почвы Башкортостана, 1995).
Оценка относительного жизненного состояния насаждений ели сибирской
Оценку относительного жизненного состояния насаждений ели сибирской на различном отдалении от источника нефтехимического загрязнения в условиях Уфимского промышленного центра и в условиях относительного контроля проводили по методике В.А. Алексеева (1990).
Пробная площадь №1. Вблизи поселка Тимашево, зона сильного загрязнения. Краткая таксационная характеристика насаждения приведена в таблице 3.1. Относительное жизненное состояния насаждения -«ослабленное», Lv = 68%. Густота кроны составляет 70%, стволы плохо очищаются от сучьев, заметны повреждения хвои (некрозы, хлорозы), на стволах часто наблюдается смолотечение. Теневая хвоя почти не сохраняется, доля сухостоя в насаждении - 18,44%, доля отмирающих деревьев- 1,42%).
Пробная площадь №2. Вблизи ж/д станции «Шугуровка», зона среднего загрязнения. Краткая таксационная характеристика насаждения приведена в таблице 3.1. Относительное жизненное состояния насаждения -«ослабленное», Lv = 71,5%). Густота кроны составляет 70%, стволы очищаются от сучьев лучше, чем в зоне сильного загрязнения, заметны повреждения хвои (некрозы, хлорозы), на стволах часто наблюдается смолотечение. Часто встречаются двухвершинные деревья, что вызывается главным образом антропогенной деятельностью. Теневая хвоя почти не сохраняется, доля сухостоя в насаждении - 7,57%, доля отмирающих деревьев - 0%. Пробная площадь №3. Вблизи поселка Авдон, зона относительного контроля. Краткая таксационная характеристика насаждения приведена в таблице 3.1. Относительное жизненное состояния насаждения оценивается как «здоровое», Lv = 96%. Деревья имеют хорошо сформированную крону, сомкнутость крон составляет 1,0, стволы хорошо очищены от мертвых сучьев. Смолотечение на стволах незначительное, отсутствуют значительные повреждения хвои, в изобилии представлена теневая хвоя. Сухостоя и отмирающих деревьев в насаждении не обнаружено.
Сравнивая относительное жизненное состояние насаждений ели сибирской в условиях нефтехимического загрязнения (УНПЗ) и в зоне контроля, можно сделать следующие выводы. Насаждения ели сибирской в зонах сильного и среднего углеводородного загрязнения характеризуются как «ослабленные» (Lv = 68-71,5%), в контроле как «здоровые» (Lv = 96%). В условиях промышленного загрязнения данного типа деревья ели сибирской имеют плохо сформированную крону, густота которой снижена приблизительно на 30% от нормы. Стволы плохо очищаются от мертвых сучьев, заметны повреждения хвои (хлорозы, некрозы). В насаждениях появляется сухостой и отмирающие деревья, хотя доля их незначительна (до 20%). В условиях относительного контроля ель имеет хорошо сформированную крону (сомкнутость - до 1,0), стволы хорошо очищаются от мертвых сучьев и отсутствуют видимые поражения хвои.
