Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 8
Глава 2. Природные условия Северо-Двинского бассейна 19
2.1. Физико-географические условия 19
2.2. Леса 27
2.3. Региональные аспекты состояния атмосферного воздуха 32
Глава 3. Объекты и методика 38
3.1. Районы и объекты 37
3.2. Объем материала 42
3.3. Методика 43
Глава 4. Динамика роста сосны обыкновенной в условиях аэротехногенного воздействия
4.1. Анализ листового аппарата 57
4.2. Изменчивость радиального прироста ствола 64
Глава 5. Динамика плотности древесины сосны обыкновенной в условиях аэротехногенного воздействия
5.1. Связь плотности древесины со структурой годичного кольца 84
5.2. Изменчивость плотности древесины в поперечном и продольном направлении ствола
5.3. Влияние условий произрастания на плотность древесины 93
Глава 6. Динамика механических свойств древесины в условиях аэротехногенного воздействия
6.1. Связь механических свойств древесины со структурой годичного кольца
6.2. Взаимосвязь механических и физических свойств древесины 107
6.3. Изменчивость механических свойств древесины в поперечном и продольном разрезах ствола
6.4. Влияние условий произрастания на механические свойства древесины
Выводы 125
Литература 129
Приложение 156
Введение к работе
Актуальность темы. Лесные экосистемы Северо-Двинского бассейна и, в частности, сосновые насаждения в настоящее время испытывают жёсткий аэротехногенный прессинг в районах сосредоточения предприятий лесопромышленного комплекса и теплоэнергетики. Принимая во внимание низкую биологическую продуктивность и слабую способность к самоочищению северных экосистем, изучение состояния сосны, как основного лесообразующего вида, в регионе имеет большое значение.
Современная проблема изучения таких биоиндикаторов, как ширина годичного кольца и плотность древесины наряду с методами их определения включает и вопросы изменчивости этих показателей под влиянием эколого-географических, лесоводственных, техногенных и наследственных факторов.
По влиянию лесорастительных условий Европейского Севера на качество древесины сосны и ели уже проведён ряд исследований (Мелехов, 1949; Леонтьев, 1953; Феклистовидр. 1977; Стравинске-не, 1983; Барзут, 1984; Москалева, Чибисов, 1988). В этих работах нашло отражение воздействие отдельных экологических факторов, как природных, так и антропогенных (рубки ухода, лесная мелиорация, пожары, внесение удобрений и пр.) на отдельные макрострук-турные и физико-механические свойства древесины. Вместе с тем опыт исследований техногенного, в том числе и аэрального воздействия в окрестностях Архангельского, Котласского и Сыктывкарского промышленных районов на качество древесины сосны практически отсутствует. Как следствие, всё острее встают вопросы определения товарного качества древесины на корню, обладающей требуемыми качественными характеристиками (в целях получения плотной, равнослойной древесины для заготовки балансов и пиловочника).
Проблема сохранения русского леса входит в число приоритетных направлений Федеральной целевой программы и международных программ стран Баренц региона. В области лесного хозяйства в качестве приоритетных направлений на перспективу рекомендуется проведение специальных исследований техногенных воздействий на лес и преодоление их отрицательных последствий.
Целью диссертационной работы является изучение изменчивости качества древесины сосны обыкновенной в хвойных древостоях бассейна реки Северная Двина в условиях длительного аэротехногенного воздействия.
«>С НАЦИОНАЛИСТ] 6НВЛНОТЕКА I
Для достижения поставленной цели в процессе исследования решались следующие задачи:
Оценить степень воздействия поллютантов на структуру радиального прироста сосны;
Провести временной анализ изменчивости радиального прироста деревьев;
Изучить изменчивость физико-механических характеристик древесины сосны в условиях длительного аэротехногенного воздействия;
Установить взаимосвязь между макроструктурными и физико-механическими характеристиками древесины.
Научная новизна работы: впервые проведено изучение воздействия промышленных выбросов на макроструктурные показатели и технические свойства древесины сосны в бассейне р. Северная Двина. Проанализирована возрастная, эндогенная, индивидуальная и экологическая изменчивость качественных характеристик древесины сосны в хвойных насаждениях. Рассмотрено влияние ширины кроны на формирование радиального прироста. Проанализированы физико-механические свойства древесины форм сосны с узкой и широкой кроной.
Основные защищаемые положения.
В сосновых фитоценозах по мере приближения к источнику эмиссий происходит снижение величины радиального прироста в различных лесорастительных условиях.
Плотность древесины сосны в хвойных насаждениях Северодвинского бассейна увеличивается по мере сокращения расстояния до источника промышленных эмиссий и ухудшения почвенно-гид-рологических условий.
Флуктуации предела сопротивления древесины сосны при сжатии вдоль волокон в пределах отдельного типа леса в большей мере обусловлены базисной плотностью, величиной и структурой радиального прироста и таксационным диаметром дерева.
Практическая значимость. Выявленные закономерности могут быть использованы при проведении регионального мониторинга лесных экосистем, разработке системы лесохозяйственных мероприятий по формированию древостоев с древесиной определенного качества, и в составлении региональных сортиментных таблиц.
Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается значительным объемом экспериментального материала и согласованностью разноплановых результатов морфометричес-ких, макроструктурных и физико-механических исследований, об-
работанных статистически с применением методов математического анализа. (Заложено 87 постоянных и временных пробных площадей. Отобрано около 3000 «приростных» и 700 «возрастных» кернов, а также около 400 древесных дисков. Выполнено более 240 тыс. замеров ширины годичного радиального прироста и зоны поздних трахеид. Проведено около 1200 определений базисной плотности, и более 500 испытаний на сопротивление древесины при сжатии вдоль волокон и др.)
Работа выполнена в лаборатории экологической биологии Института экологических проблем Севера Архангельского НЦ УрО РАН в рамках госбюджетных тем: 01.95.0.0 04396 «Изучение состояния и биоиндикация загрязнения наземных и водных экосистем устьевой области Северной Двины»; 01.200.1 12255 «Внутривидовая изменчивость хвойных и изучение состояния лесорастительных сообществ в условиях загрязнения атмосферы Северо-Двинского бассейна».
Личный вклад автора. Автором определены цель и задачи исследований, подготовлена программа исследований, выполнены работы по планированию, выбору и обоснованию методов. Сбор полевого материала проведен совместно с сотрудниками лаборатории экологической биологии Института экологических проблем Севера Архангельского НЦ УрО РАН при непосредственном участии и под руководством автора. Автором лично проведен весь комплекс экспериментальных работ по макроструктурным и физико-механическим исследованиям, выполнена математическая обработка, анализ и обобщение полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на Международных конференциях: «Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура» (Архангельск, 2000), «Проблемы загрязнения окружающей среды» (Пермь, 2001), «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2002), «Возобновление нарушенных природных экосистем» (Донецк, 2002), «Природно-ресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2002), «Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты» (Сыктывкар, 2002), «Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар, 2003), а также на V и VI Всероссийском популяцион-ном семинаре (Казань, 2001; Н. Тагил, 2002), XI Международном симпозиуме по биоиндикаторам «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга» (Сыктывкар, 2001), Всероссийском совещании «Дендрохронолгия: достижения и перспективы» (Красноярск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 294 наименования, приложения. Работа изложена на 156 стр. машинописного текста, содержит 41 таблицу и 51 рисунок.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность к.с-х.н. С.Н. Тарханову за общее руководство, сотрудникам лаборатории экологической биологии ИЭПС УрО РАН и к.б.н. Н.В. Торлопо-вой за содействие и помощь в сборе и обработке полевого материала. Особая признательность д.т.н. В.И. Мелехову за консультации и оказание всесторонней поддержки при подготовке диссертации, к.б.н. В.И. Каневу за предоставленный фотоматериал.
Физико-географические условия
Географическое расположение. Архангельская область и республика Коми расположены на северо-востоке европейской части Российской Федерации от 59 12 до 66 28 северной широты и от 35 54 до 66 15 восточной долготы (рис. 3, 4).Площадь региона составляет: 308,6 тыс. км - Архангельская область без островов в Северном Ледовитом океане и Ненецкого национального округа, 415,9 тыс. км - республика Коми (Динамика..., 2000). Протяжённость с севера на юг и с запада на восток превышает соответственно 1250 и 1350 км. Большая протяжённость территории и не однородность рельефа не только создают особенности в климатическом режиме отдельных районов, но вместе с тем обуславливают распространение почвообразуюших пород и строение почв (Лесное хозяйство,.., 2000).
Геологическое строение. Архангельская область и западная часть республики Коми расположены на Восточно-европейской платформе. В пределах платформы выделена Русская плита, ограниченная с северо-запада Балтийским, а с востока Канино-Тиманским щитами. Фундамент сложен архейскими гнейсами, гранито-гнейсами и гранитами. Выше залегают осадочные образования вендского комплекса верхнего протерозоя, представленные переслаивающимися аргиллитами, алевролитами и песчаниками с редкими прослоями туффитов. Вендские образования перекрываются четвертичными отложениями представленные сложным комплексом ледниковых, флювиог-ляциальных, озерно-ледниковых, морских, аллювиальных и болотных отложений. Непосредственно, на размытой дочетвертичнои поверхности залегают валунные суглинки и глины московского ледниковья. На них залегает толща морских микулинских глин и суглинков с гравием, галькой и редкими прослойками песка (Леса республики..., 1999). Морские отложения повсеместно перекрываются моренными суглинками и глинами валдайского ледниковья, с прослоями супесей, песков с гравием и галькой. На валдайских ледниковых отложениях развиты маломощные озерно-ледниковые, флювиогляциальные морские и болотные отложения, представленные песками, глинами, супесями, торфом. Местами, мощность четвертичных отложений превышает 100 м (Атлас..., 1976; Динамика..., 2000). Рельеф и почвенно-гидрологические условия. Рельеф, района проводимых работ преимущественно равнинный, с общим наклоном поверхности с юга на север (равнины занимаю более 80% всей площади).
Западнее Котласа между долинами рек Вага и Северная Двина располагается обширное Устьянское плато. К северо-востоку от низовьев Северной Двины располагается обширная возвышенность, окружённая долинами рек Северной Двины, Кулоя и Пинеги - Беломорско-Кулойское плато. К югу от плато и долины участка течения р. Пинега простирается широкая болотистая лесистая равнина Пинего-Двинского водораздела с отдельными участками холмисто-моренного рельефа. На юге она переходит в плоское заболоченное плато, занимающее всё пространство между Северной Двиной и Вычегдой, Пинегой и Мезенью (Динамика..., 2000; Леса Республики..., 1999).
На востоке Архангельской области и севере республики Коми находится Тиманский кряж, разделяющий обширные площади Мезенской и Печорской низменности и служащий водоразделом этих рек. Наибольшая высота - 471 м (Четласский Камень). Юго-западная часть республики Коми представляет собой слегка всхолмленную равнину. Вычегодская низина представляет собой однообразную плоскую или плоскоувалистую поверхность, прорезанную долинами рек (Вычегда, Локчима и пр.).
Избыток влаги, совместно с другими природными условиями способствовали возникновению на рассматриваемой территории густой гидрографической сети, а также болот и заболоченных территорий. Ежегодно в бассейне Северной Двины в результате размывающей деятельности рек, озёр смывается до 660 кг почвы с га.
Структура почвенного покрова в рассматриваемом регионе определяется процессами почвообразования следующих основных типов: подзолистого, глеевого, болотного и частично-дернового (Артемьев и др., 1982). Наряду с почвами подзолистого типа в районе исследований распространены болотно-подзолистые и болотные (болотные верховые и болотные низинные) почвы (табл. 1). Меньшее распространение имеют дерново-карбонатные, дерново глеевые и пойменные типы почв. В целом, почвы бедны элементами минерального питания, отличаются повышенной кислотностью, чаще имеют неблагоприятные водно-физические свойства (Кащенко, 1980; Мамонов, 1994).
Объем материала
Всего заложено 87 участков исследований (Приложение 1). Краткая характеристика отобранных пробных площадей приведена в табл. 6. Закладка пробных площадей и сбор образцов и обработка материала проводились совместно с сотрудниками:
лаборатории экологической биологии Института экологических проблем Севера УрО РАН (г. Архангельск);
S отдела проблем леса Института биологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар);
S лаборатории лесоведения и мелиорации леса Северного Научно-исследовательского института лесного хозяйства (г. Архангельск); кафедры лесоводства факультета лесного хозяйства Архангельского государственного технического университета (г. Архангельск); S кафедры строительной механики и сопротивления материалов строительного факультета Архангельского государственного технического университета (г. Архангельск);
Научно-технического центра ОАО "Архангельскгеолдобьтча" (г. Архангельск).
Пробные площади расположены в районах: S Архангельской промышленной агломерации, и устьевой области р. Северная Двина (территория Приморского, Холмогорского, и Плесецкого районов);
S Котласского промышленного узла и верховьях р. Северная Двина (территория Котласского, Красноборского и Вилегодского районов); S Сыктывкарского лесоперерабатывающего комбината и бассейна р. Вычегда (территория Княжпогостского, Сыктывдинского, Корткеросского районов) (рис. 3.).
В процессе сбора полевого материала было отобрано 3000 "приростных" и 700 "возрастных" кернов древесины для изучения структуры радиального прироста и базисной плотности, и около 450 древесных дисков для определения физико-механических свойств древесины.
При камеральной обработке произведено более 240 тыс. измерений ширины зоны поздних трахеид и ширины годичного радиального прироста. Произведено около 1200 определений условной плотности древесины в центральной, средней и периферийной частях ствола дерева, по способу максимальной влажности. Проведено более 500 испытаний на сопротивление древесины при сжатии вдоль волокон.
3.3. Методика
Для определения ореола пространственного загрязнения, использованы общепринятые методические рекомендации (Методика расчёта ..., 1987, 1988, 1991). Чтобы получить целостное представление об аэротехногенной нагрузке загрязнений на окружающую среду был собран и обработан фактический материал по загрязнению почвенно-растительного покрова и материалы Севгидромета за период с 1993 по 2001 годы. Привлечение данных по загрязнению снежного покрова позволило довольно детально исследовать распределение загрязнения в изучаемых районах (Климатические характери стики,.., 1983; Тарханов, Мочалов, Спирина, 1996; Тарханов, 2000). При составлении компьютерных карт полей рассеивания использованы унифицированные программы расчета загрязнения атмосферы "ПДВ - Эколог" (предоставление информации в виде таблиц ПДК), версия 3.0 и "Эколог" (предоставление информации в виде изолиний распространения загрязнения), версия 3.31 и, разработанные Санкт-Петербургской фирмой "Интеграл" и согласованные с ГГО им. А.И. Воейкова. По итогам вычислений построены карты распределения фитотоксикантов в пространстве с центрами в городах: Архангельск, Сыктывкар и Котлас (Приложение 2).
Определено валовое содержание серы, сульфат - ионов и тяжелых металлов (Hg, Cd, Pb, Си, Zri) в тканях растений, талломе эпифитного лишайника Hypogimnia physodes (L.) хвое ели и сосны 1-3 -ёх летнего возраста, а также в лесной подстилке. Данная работа проведена в лаборатории экологической биологии Института экологических проблем Севера УрО РАН в соответствии с методиками (Методическими рекомендациями..., 1986, 1989, 1993; Горбунова, 1999).
Первоначальный подбор объектов исследований был проведен по таксационным описаниям и планам лесонасаждений лесничеств. В наиболее типичных условиях местопроизрастания были заложены постоянные и временные пробные площади (Приложение 3). Закладка пробных площадей осуществляется в соответствии с принятыми в лесоустроительной практике стандартами: ОСТ 56 - 69 - 83 и ГОСТ 16128 - 70 (рис. 15 Б).
В районах, с проведением лесомелиоративных мероприятий, места для пункта таксации выбирали примерно на 2/3 общего расстояния между осушителями с низовой стороны. На данном расстоянии почвенно-гидрологические условия практически не отличаются от "естественных" (Повышение продуктивности лесов... 1974; Артемьев, Тараканов и др. 1982; Рекомендации... 1983). Для снижения колебаний условий роста в пределах одной пробной площади, закладываемые участки имеют ленточную форму, длинная сторона которых параллельна осушительным каналам (Рубцов, Кни зе, 1974). (
В процессе измерительных работ на опытных участках руководствовались общепринятыми лесоводственно-таксационными методиками (Анучин, 1982; Гусев, 1992). На каждой пробной площади проводились следующие виды работ: привязка к местности, лесоводственно-геоботаническое описание, таксационная характеристика древостоев, отбор образцов древесины, закладка почвенного разреза и его морфологическое описание.
Определение средних таксационных показателей для каждого элемента леса производили при помощи мерной вилки, рулетки, эклиметра, полното-мера, возрастного бурава Пресслера, таксационных таблиц (Полевой справочник таксатора..., 1971) и посредством глазомерной таксации. Для каждого элемента леса определяли:
S средний возраст (Ам) с точностью до класса возраста; S средний диаметр (DM) с точностью до 2 см;
S средняя высота (Нм) с точностью до 1 м (по графику высот для дерева среднего диаметра);
средние размеры крон деревьев: диаметр (DK) и высота основания (Ок); S класс бонитета; S полнота древостоя; S запас древостоя (М), м3 га-1 с точностью до 10 м3;
Возраст определялся подсчётом годичных слоев по пням или на кернах древесины, высверленных при помощи возрастного бурава в прикорневой части.
Определение диаметра ствола деревьев осуществлялось мерной вилкой в двух взаимоперпендикулярных направлениях, с последующим вычислением среднего значения, округлением его до целых. Минимальный диаметр де-peBbeBj включаемых в перечёт, составляет 6 см. Высота деревьев, основания кроны, и до первого живого сучка определялась при помощи эклиметра с расстояния 25 м. Диаметр кроны определяли как диаметр проекции кроны на землю в двух взаимоперпендикулярных направлениях, с точностью до 0,5 м.
Выделение ярусов производили при наличии выраженных пологов, отличающихся по высоте не менее чем на 20%, деревья ниже 4 м таксировались как подрост. Выделение возрастных поколений производили при разнице в возрасте не менее чем на два класса возраста и запаса выделяемого поколения не менее 20% от общего запаса насаждения.
В камеральных условиях производили уточнение значений бонитета, полноты, запаса древесины и породного состава древостоя (по запасу) (Лесо-учётныетаблицы..., 1980; Лесотаксационный справочник..., 1986).
Для учёта и характеристики подроста и подлеска на 1111 под пологом леса закладывали 5-7 равномерно распределённых площадок и составляющих в сумме 5% от её площади. Пересчёт подроста на площадках производили по породам, группам высот и жизнеспособности.
Визуальную оценку обилия сосудистых, мохообразных и лишайниковых растений, теоботаническое описание подлеска, травяно-кустарничкового и мохового ярусов проводили согласно методике "Полевая геоботаника" (1964), "Полевой экологический практикум" (2000). Определение типа леса осуществлялось согласно "Методическихрекомендаций..." (1979).
На каждом пробном участке закладывали почвенный разрез и производили морфологическое описание почвенных горизонтов с указанием цвета, мощности, механического состава, структуры и пр. показателей (Скляров, Шарова, 1970).
Изменчивость радиального прироста ствола
Определение состояния деревьев по одному внешнему виду крон, без взятия древесных кернов или спилов для учета трендов прироста, часто бывает ошибочно, так как данные радиального прироста могут прояснить причины ослабления жизненного состояния насаждений и свидетельствовать об угнетении роста вследствие атмосферного загрязнения (Воронин, 1989; Яр-мйшко, 1997). Величина текущего прироста ствола по диаметру суммирует в себе воздействие эдафических, экологических и ценотических факторов (Звиедрис, Сацениекс, 1975; Ваганов, Терсков, 1977). Динамика текущего годичного радиального прироста деревьев отражает также результаты антропогенного воздействия на лесные экосистемы: рубки, мелиорация, атмосферное и почвенное загрязнение и т.д. (Цветков, 1981; Феклистов, 1997; Бобкова, Ладанова и др., 1997).
Анализ полученных данных показал достоверное снижение величины радиального прироста с увеличением градиента загрязнения, по мере приближения к источнику эмиссий (табл. 11, рис. 24). Значение коэффициента детерминации превышает 0,70. В сосняках кустарничково-сфагновых различие радиального прироста достоверно с вероятностью 0,95 и выше при сопоставлении насаждений произрастающих на расстоянии до 5 - 7, 10 - 15, 20 - 25 и далее 50 км (фоновые участки) во всех изучаемых районах. Исключение составляет результат сравнения насаждений, произрастающих на удаленности 20 - 25 и более 50 км в районах Сыктывкара и Котласа, а так же 10 15 и 20 - 25 км в районе Сыктывкара. В сосняках черничных свежих величина показателя достоверности не превышает критического значения t -Стьюдента при 5 %-ом уровне вероятности лишь в районе Котласа между участками расположенными на расстоянии 10 - 15 и 20 - 25 км (табл. 12). Наиболее существенное снижение радиального прироста ствола сосны отмечается в насаждениях пригорода Архангельска.
=Отмечена тенденция снижения изменчивости радиального прироста при увеличении расстояния от источника эмиссий (табл. 13). Достоверность различия изменчивости превышает 0,1%-ый порог значимости во всех рассматриваемых случаях. Исключение составляет соотношение групп участков в районе Сыктывкара в черничном типе леса на расстоянии 15 - 25 и далее 40 км, где іфахт = 2,96 {t0j = Ъ$1- it 2,62). Изменчивость радиального прироста увеличивается с улучшением условий произрастания, в частности, значение вариационного коэффициента в сосняках черничных превышает аналогичный показатель в сосняках кустарничково-сфагновых (рис. 25).
Расстояние до источника выбросов в большей мере влияет на древостой кустарничково-сфагнового типа леса в районе Архангельска, коэффициент детерминации равен 0,86 (табл. 14). Доля изменений, обусловленных влиянием удаленности изучаемых насаждений от источника эмиссий, ниже в черничниках Архангельска и Котласа. В районе Сыктывкара отмечено обратное отношение, коэффициент детерминации в сосняках кустарничково-сфагнового типа леса (D = 0,02) ниже, чем в черничниках (D = 0,45).
