Содержание к диссертации
Введение
Введение 3
Глава 1. Лесонасаждение в условиях техногенеза (обзор проблемы) 7
Глава 2. Объекты и методы исследований 18
Глава 3. Природные и техногенные условия района исследования 23
Глава 4. Продуктивность лесных культур в зеленой зоне города 37
Глава 5. Устойчивость лесонасаждений в условиях техногенного воздействия
Глава 6. Фитомелиоративные функции лесонасаждений в зеленой зоне 77
Заключение 89
Выводы 94
Рекомендации производству 95
Библиографический список 99
Приложение 1 111
Приложение 2 113
- Лесонасаждение в условиях техногенеза (обзор проблемы)
- Объекты и методы исследований
- Природные и техногенные условия района исследования
- Продуктивность лесных культур в зеленой зоне города
- Устойчивость лесонасаждений в условиях техногенного воздействия
Введение к работе
Актуальность темы исследования обосновывается напряженной, граничащей с кризисной экологической обстановкой, сложившейся в г. Новокузнецке – крупнейшем индустриальном центре Кузбасса. Оптимизация экологических условий осуществляется комплексом биологических и технологических мероприятий. Однако практика показывает, что планируются преимущественно технологические аспекты охраны окружающей среды, а биологические методы используются не в полной мере.
С экологических позиций лес следует оценивать как основной компонент природных комплексов, способствующий сохранению других жизненно важных компонентов биосферы – воды, воздуха и почвы. Количественные возможности трансформации лесом основных абиотических факторов среды и масштабы его средообразующего влияния связаны с размерами занимаемой площади (процентом лесистости территории) и концентрацией в лесных фитоценозах живого органического вещества (продуктивностью лесонасаждений).
Оказывая средопреобразующее влияние на экологические условия территории, леса в тоже время находятся под воздействием техногенных факторов: атмосферного загрязнения промышленными выбросами, нарушения почвенного покрова и гидрологического режима горными работами.
Рассматриваемая в контексте экологической безопасности необходимость оценки продуктивности и устойчивости лесонасаждений в условиях интенсивного техногенного воздействия определила настоящую тему исследований.
Цель и задачи исследований. Целью работы является оценка состояния и фитомелиоративного потенциала, создаваемых лесонасаждений в условиях техногенного воздействия.
Для достижения цели поставлены задачи:
-
Определить продуктивность лесонасаждений в зонах интенсивных атмосферных промышленных выбросов и на территориях, нарушенных горнодобывающими работами.
-
Исследовать состояние, устойчивость и природоохранные функции создаваемых лесонасаждений в зеленой зоне.
-
Учесть изменения основных микроклиматических параметров в лесонасаждениях зеленой зоны.
Научная новизна. Впервые произведена комплексная оценка устойчивости и фитомелиоративных функций лесонасаждений при высокой техногенной нагрузке в условиях индустриального города.
Защищаемые положения.
-
Созданные лесонасаждения в зеленой зоне, несмотря на угнетающее воздействие техногенных факторов, обладают определенным потенциалом оптимизации экологических условий окружающей среды.
-
Продуктивность лесных культур на нарушенных горными работами землях и в зонах атмосферного загрязнения в большинстве случаев не снижается до 40-летнего возраста.
-
Лесоразведение на техногенных территориях по своей экологической значимости соизмеримо с инженерными (техническими) мероприятиями по охране окружающей среды.
Практическая значимость и реализация работы. Выполненные исследования дают основание увеличить масштабы лесоразведения вокруг г. Новокузнецка и других индустриальных городов Кузбасса, обосновывают необходимость включения фитомелиоративных методов в практические проекты повышения экологической безопасности региона.
Всего создано в зеленой зоне г. Новокузнецка 9 тыс. га новых лесонасаждений, что увеличило лесистость территории до 15 %.
Личный вклад. Автор был непосредственным исполнителем и руководителем работ по лесоразведению на послепромышленных территориях г. Новокузнецка. Принимал личное участие во всех полевых и камеральных работах по программе диссертации, анализе полученных результатов, в подготовке публикаций, в разработке и внедрению рекомендаций в производство. В практических работах по лесоразведению в зеленой зоне г. Новокузнецка автор участвовал с 1986 года по 2003 год, научные исследования по проблеме начаты в 2000 году.
Апробация работы. Материалы исследований представлялись и обсуждались на III Международной научно-практической конференции «Защитные лесные насаждения и сельскохозяйственное производство. Проблемы опустынивания» (Барнаул, 2003), на IV научно-практической конференции «Восстановление нарушенных ландшафтов» (Барнаул, 2004) и IV Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения (Кемерово, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе раздел в коллективной монографии «Экология лесов Кузбасса» и «Рекомендации по лесной рекультивации нарушенных земель в Кузбассе».
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 106 стр. машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы. Включает 20 таблиц, 15 рисунков.
Лесонасаждение в условиях техногенеза (обзор проблемы)
Основные положения об экологической оптимизации окружающей среды лесной растительностью сложились под влиянием идей В.В. Докучаева о целостности природных комплексов, учения В.И. Вернадского о взаимосвязи и взаимодействии всех явлений природы и роли живого вещества в биосферных процессах, учения о лесе Г.Ф. Морозова, лесной биогеоценологии В.Н. Сукачева. С получением научных данных о количественных показателях водоохранной, водорегулирующей, противоэрозионной, климатологической, санитарно-гигиенической роли лесов были сформированы представления о средозащитных функциях леса.
За последние десятилетия проблема экологического влияние лесов расширилась и углубилась - были изучены новые формы воздействия леса на формирование химического и бактериального стока, термического режима рек, газового баланса атмосферы, пылеулавливающие, фитонцидные и другие свойства лесных экосистем (Молчанов, 1973; Протопопов, 1975; Поздняков, 1973 и др.).
Общепризнано, что лес следует рассматривать как единственный компонент природных комплексов, способствующий сохранению других важных для человека и всего живого компонентов биосферы: воды, воздуха и почвы. Взаимодействуя с атмосферой, водой и почвой, лес трансформирует и поддерживает их качественные и количественные показатели на оптимальном для человека и других форм жизни уровне. Особенную значимость приобретают эти свойства леса в техногенных и урбанизированных ландшафтах. Здесь на первый план выступают санитарно-гигиенические свойства лесных экосистем, в частности способность обогащать атмосферу ионизированным кислородом и биологически активными веществами (в т.ч. фитонцидами), очищать ее от различных механических примесей и от вредных химических токсикантов. Лесная растительность улучшает комфортность среды обитания для человека, благодаря охлаждающему и увлажняющему влиянию на окружающую среду (в летний период), снижению скорости ветра. К санитарно-гигиеническим функциям леса следует отнести и его эстетическое влияние на человека, успокаивающее действие на психику и нервную систему организма.
Экологический эффект лесонасаждений связан с их устойчивостью, стабильностью. Наиболее полное проявление средообразующих функций леса, в том числе санитарно-гигиенических, можно ожидать только от здоровых насаждений, отличающихся нормальным ростом и развитием (Протопопов, 1980).
Однако, леса, произрастающие на техногенных и урбанизированных территориях, то есть там, где наиболее нужны их оптимизирующие, преобразующие среду функции, испытывают угнетающее влияние техногенных факторов, приводящие к снижению их продуктивности и устойчивости. Следовательно, проблема «лес в техногенных условиях» двуедина: лес оптимизирует экологические условия, ухудшенные техногенными факторами, и в тоже время подвергается негативному воздействию техногенеза. Такой подход в полной мере соответствует высказыванию И.С. Мелехова (1972), что в экологии леса необходимо рассматривать две стороны: влияние условия внешней среды на жизнь леса и формирование леса особой, присущей ему лесной среды. В общем плане это созвучно экологическому принципу обратной связи - влияние биосферы на экологические условия среды обитания человека и воздействие техногенных факторов, порождаемых жизнедеятельностью человека, на элементы биосферы (Реймерс, 1990).
Результаты работ по исследованию влияния техногенных выбросов на почву, а через нее на леса имеют двойственный характер. В первой группе работ (Губерман, 1979; Малахов и др., 1985; Келеберда, Другов, 1983) техногенные выбросы рассматриваются как фактор подкисляющий почву. Эти выводы основаны на том, что значительную долю в промвыбросах занимают газообразные продукты: окислы серы, азота, углерода. Они переносятся воздушным путем на значительные расстояния и выпадают с атмосферными осадками в виде «кислотных» дождей. Выпадение таких осадков ведет к выносу щелочных элементов (Са, Mg, К и др.) из верхних горизонтов и их подкислению. Подкисление приводит к соответствующей перестройке эдафических процессов, что в большинстве случаев снижает естественное плодородие почвы.
Результаты второй группы работ получены при исследовании почв, находящихся от источников выбросов не далее 5-7 км. Загрязнение в этой зоне вызвано как газовой фракцией выбросов, так и пылью промпредприятий, которое преобладает в этой зоне. Техногенная пыль, главным источником которой являются предприятия металлургии и стройматериалов, в основном состоят из окислов Са, Mg, К, Si. В результате выпадения этих элементов и их взаимодействия с почвой происходит ее подщелачивание (Дончева, 1978; Берзиня и др., 1984; Колосков и др., 1981; Гармаш, 1985), и соответствующее изменение свойств, определяющих ее плодородие (Возбудская, 1968; Ковалев и др., 1983). Подкисляющее действие техногенных выбросов наблюдается на значительно большей территории, чем подщелачивание.
Накопление в почвах тяжелых металлов наблюдается как вблизи от источников загрязнения, так и на значительном от них расстоянии (Блинов, 1983; Гармаш, 1985; Лузанов, 1991). Будучи почти все биохимически активными, они действуют непосредственно на живые организмы, оказывая положительный или отрицательный эффект (в зависимости от количества) на биогеоценозы.
Объекты и методы исследований
Исходя из понятия комплексности и многоплановости воздействия техногенных факторов на лесную растительность, интегральным показателем, характеризующим это воздействие, является продуктивность лесонасаждений. Это показатель лесорастительных условий, отражающий природно-климатические и техногенные факторы. Различия между ростом насаждений в аналогичных природно-климатических условиях, но вне зоны выраженного техногенного воздействия, с насаждениями в пределах этой зоны и будет отражать комплексное воздействие техногенных факторов на леса.
В условиях зеленой зоны г. Новокузнецка основными факторами воздействия на леса являются атмосферные выбросы промпредприятий и иарушенность земной поверхности горнодобывающими работами. Производными от них являются изменения температурного и светового режимов, почвенной и атмосферной влажности, в целом микроклиматических условий. Накладывают свой отпечаток на состояние насаждений и такие антропогенные факторы, как уплотнение почвы от чрезмерного рекреационного пользования, лесные пожары, засорение территории бытовыми отходами и прочее. Соотношение и удельный вес этих деструктивных факторов в каждом местоположении весьма различны, поэтому трудно вычленить каждый фактор в отдельности. Так, в насаждениях на подработанных шахтами землях сказываются и атмосферное загрязнение и рекреационная нагрузка. Поэтому состояние и рост лесонасаждений зеленой зоны отражает воздействие не какого-то определенного фактора, а всего комплекса техногенных факторов.
Факторы техногенного воздействия на природные экосистемы многообразны, для их количественной оценки используются преимущественно инженерно-технические методы исследования. Данные о загрязнении окружающей среды с достаточной полнотой приведены в ежегодных «Докладах о состоянии окружающей среды в Кемеровской области» за 2002, 2003, 2004 гг. Комитета природных ресурсов», а также отражены в «Экологической карте Кемеровской области» (1995), и описании экологической карты Кемеровской области (1996) разработанной коллективом специалистов.
Следует отметить, что данные о загрязнении окружающей среды промышленными выбросами и сбросами характеризуются абсолютными величинами (весовыми или объемными), но чаще приводятся относительные показатели - их соотношения с предельно-допустимыми концентрациями (ПДК). ПДК для человека по широкому спектру загрязнителей разработаны и утверждены. Для растений ПДК (официально утвержденных) нет, так как разные виды растений обладают различной чувствительностью к токсикантам, а количество видов - великое множество, при том в различных природных условиях растения реагируют на загрязнения по-разному. О невозможности разработки для растений единых величин ПДК свидетельствует тот факт, что при оценке устойчивости растений к токсикантам вообще и к атмосферным выбросам в частности, получаются самые разноречивые данные (Кулагин, 1980).
В «Методике экологической экспертизы предпроектных и проектных материалов по охране атмосферы» (Министерство природных ресурсов РФ. М., 1995) приведены нормативы допустимого загрязнения воздуха для древесных пород (со ссылкой на Нормативы Международного Союза лесных исследовательских институтов, IUFRO-1979). Однако, эти нормативы не дифференцированы по разным древесным породам, хотя общеизвестно о их различной чувствительности к атмосферному загрязнению. Даже одна порода в различных условиях имеет большой диапазон повреждаемости от газовых выбросов.
Природные и техногенные условия района исследования
Город Новокузнецк расположен в южной оконечности Кузнецкой котловины, охватывающей серединную часть Кемеровской области в бассейне р. Томь, и имеющую форму полосы шириной 100-120 км, протянувшуюся с северо-запада на юго-восток на 350 км.
3.1. Климат. Южная оконечность Кузнецкой котловины имеет континентальный климат с продолжительной холодной и ветреной зимой и коротким, но жарким летом. Период холодов со среднемесячной температурой - 10С охватывает 4 месяца (декабрь - март). Абсолютный минимум температур воздуха в январе, наиболее тёплым месяцем является июль. Средняя годовая температура в районе расположения города составляет + 1,0С. Благоприятный для вегетации период со среднесуточной температурой выше + 5С начинается в последнюю декаду апреля или первую декаду мая, а конец приходится на середину октября. Продолжительность вегетационного периода в среднем 140 дней, а средняя продолжительность безморозного периода варьирует от 104 до 122 дней. Поздневесенний заморозок обычно наблюдается в третьей декаде мая, а раннеосенний - в первой-второй декаде сентября (Агроклиматический справочник, 1998).
В теплый период года (IV-X) осадков выпадает 372 мм, в холодный (ІХ-ІЇЇ) - 114. Такое количество осадков достаточно для роста древесных пород. Однако, в некоторые годы наблюдаются раннелетние засухи, приводящие к отпаду лесных культур и снижению прироста деревьев.
Выпадающий в начале ноября снеговой покров постепенно нарастает и в марте достигает наибольшей высоты и плотности. Средние даты разрушения снежного покрова - 8/IV, схода снежного покрова - 23/IV. Выпадающий в начале ноября снеговой покров постепенно нарастает и в марте достигает наибольшей высоты и плотности. Средние даты разрушения снежного покрова - 8/IV, схода снежного покрова - 23ЛУ.
Продуктивность лесных культур в зеленой зоне города
Кризисная экологическая обстановка в районе г. Новокузнецка предопределила жизненную необходимость проведения мероприятий по ее улучшению. В числе мер по оптимизации экологических условий окружающей среды повышение лесистости территории занимает существенное место. Это тем более важно, что лесов в зеленой зоне города мало. Естественных лесонасаждений в пределах 20 км от границ города сохранилось всего около 3,5 тыс. га, или по 0,006 га на каждого жителя города. Наиболее крупные лесные участки это Сосновская лесная дача (580 га), Бунгурская (365 га), Букинская (165 га), Таргайская (650 га), леса совхоза Садопарковый (560 га), а также ряд более мелких лесных участков. Общая характеристика естественных лесов в пределах двадцатикилометровой зоны приведена в таблице 5.
В состав зеленой зоны города лесоустройством включены также таежные леса, удаленные от города на 20-30 км, общей площадью 15 тыс. га. Это леса Есауловского, Апанасовского и Костенковского лесничеств, представленные средне- и низкополнотными средневозрастными пихтово-осиновыми лесонасаждениями, неоднократно пройденные рубками в период строительства города (30 40 гг.). Эти леса безусловно выполняют природоохранные функции, но их удаленность, пересеченный рельеф (предгорный), отсутствие дорожной сети, а также породный состав и структура не создают возможностей их полноценного использования (особенно в рекреационном плане), как лесов зеленой зоны города. Поэтому эти таежные леса мало меняют общую ситуацию с низкой лесистостью пригородных территорий.
30 последних лет Новокузнецкий лесхоз целенаправленно проводит работы по созданию новых лесонасаждений в границах зеленой зоны города. На первом этапе были облесены пустоши вокруг города и в городской черте, которые возникли в результате деградаций пахотных угодий.
Устойчивость лесонасаждений в условиях техногенного воздействия
Под устойчивостью лесных фитоценозов подразумевается степень их сопротивления неблагоприятным факторам внешней среды - абиотическим, биотическим, антропогенным. Выделяют три типа устойчивости насаждений: позиционную, структурную, функциональную.
Позиционная устойчивость - это способность насаждений сохранять свою территориальную целостность. В условиях зеленой зоны г. Новокузнецка на позиционную устойчивость насаждений крайне неблагоприятное воздействие оказывают лесные пожары. За последние 10 лет от неострожного обращения с огнем в лесах полностью погибло и сильно повреждено около 300 га лесных культур, т.е. ежегодные позиционные потери составили 30 га.
Структурная устойчивость - это способность лесных фитоценозов сохранять оптимальную структуру по составу, полноте, наличию подлеска, подроста, живого напочвенного покрова, подстилки и др., обеспечивающих в совокупности устойчивость лесных экосистем.
Леса зеленой зоны г. Новокузнецка распространены неравномерно и дисперсно, мелко массивными участками, колками. Такое их расположение повышает защитные функции насаждений, но снижает их позиционную и структурную устойчивость. Они подвержены более сильно отрицательному воздействию некоторых абиотических, биотических и антропогенных факторов, страдают от лесных пожаров. Около 80 % лесов зеленой зоны представлены искусственными насаждениями, преимущественно культурами сосны. Это монокомпонентные фитоценозы; однопородные по своему составу, одноярусные по своему строению, почти не имеющие подроста. Такие насажденияи позиционно, и структурно недостаточно устойчивы. Падения позиционной и структурной устойчивости насаждений приводят в итоге к снижению полезных функций лесов - защитных, фитомелиоративных, санитарно-гигиенических, рекреационных.
Состояние деревьев и насаждений, а также степень поврежденности, определяющие их устойчивость и долговечность, оцениваются по экологически обоснованным или условно принятым шкалам, включенным в нормативные документы.
В «Санитарных правилах в лесах Российской Федерации» (1992) принята следующая шкала категорий состояния хвойных деревьев:
I - здоровые: деревья без внешних признаков ослабления;
II - ослабленные: деревья со слабоажурной кроной, укороченным
приростом или повреждением до 1/3 общего количества хвои, с усыханием отдельных ветвей;
III - сильно ослабленные: деревья с ажурной кроной и матовой хвоей, с
сильно укороченным приростом или без него, с повреждением или усыханием до2/3 хвои, суховершинные;
IV - усыхающие: деревья, которые могут усохнуть в текущем или
следующем году, с сильно ажурной и желтеющей и осыпающейся хвоей, с повреждением более2/3 хвои;
V - свежий сухостой;
VI - старый сухостой.
Несколько иную шкалу категорий состояния деревьев предложил В.А. Алексеев (1989).
1. Здоровые деревья. Любые повреждения листьев или хвои незначительные (менее 10 %).
2. Ослабленные (поврежденные) деревья. Обязателен хотя бы один из следующих признаков: снижение густоты кроны на 30 % (20 0 %) за счет преждевременного опадения листьев (хвои), повреждения насекомыми, патогенами, пожаром, атмосферным загрязнением. 3. Сильно ослабленные (сильно поврежденные) деревья. Обязателен хотя бы один из следующих признаков: а) снижение густоты облиственности кроны на 60 %; б) наличие 60 % мертвых или усыхающих ветвей; в) повреждение 60 % всей площади листьев (хвои).
4. Отмирающие деревья.
5. Сухостой.
