Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оценка экологического состояния лесов (обзор литературы) 12
Глава 2. Экологические условия района исследований 19
2.1. Особенности климата 19
2.2. Геоморфологическое строение, рельеф и почвообразующие породы территории 21
2.3. Почвенный покров 23
2.4. Растительность 25
Глава 3. Объект и методы исследований 27
Глава 4. Современное экологическое состояние лесных экосистем 31
4.1. Морфолого-таксационная характеристика лесных массивов 31
4.2. Запасы растительного вещества в основных блоках лесных экосистем 45
4.3. Циклы углерода и азота в лесных экосистемах 55
4.3.1. Запасы углерода и азота в основных блоках лесных экосистем 63
4.3.2. Цикл углерода в лесных экосистемах 73
4.3.3. Цикл азота в лесных экосистемах 85
Глава 5. Аккумуляция микроэлементов в лесных фитоценозах 96
5.1. Параметры содержания микроэлементов в различных блоках и субблоках лесных экосистем 102
5.2. Биогенное накопление в лесной растительности 115
Глава 6. Биогеохимические циклы тяжёлых металлов и мышьяка в лесных экосистемах 141
6.1. Запасы тяжёлых металлов и мышьяка в основных блоках лесных экосистем 142
6.2. Циклы микроэлементов в лесных экосистемах зоны техногенного влияния Березовской ГРЭС-1 155
Выводы 169
Литература 172
Приложение 193
- Оценка экологического состояния лесов (обзор литературы)
- Геоморфологическое строение, рельеф и почвообразующие породы территории
- Объект и методы исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Исследования экологического состояния лесных фитоценозов на территории Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭКа) являются частью комплексного подхода к проблеме экологической оптимизации ландшафтов региона, предусматривающего наряду с технологическими средствами защиты использование лесов, выполняющих биосферные и средообразующие функции. Создание и функционирование Березовской ГРЭС-1 (БГРЭС-1) мощностью 6,4 млн кВт в год ведёт к увеличению техногенных нагрузок на природные ландшафты, характеризующиеся низкой (5-16%) лесистостью и высокой (68%) сельскохозяйственной освоенностью. В результате проведения на территории региона эколого-географических исследований различными институтами СО РАН и научными учреждениями других ведомств установлено, что антропогенные (техногенные) нагрузки ведут к дальнейшей трансформации природных ландшафтов (Леса КАТЭКа..., 1983; Природа и хозяйство..., 1983; Волкова, Давыдова, 1987; Человек..., 1988; Шугалей, 1991). Экологическая оптимизация ландшафтов региона возможна только при сохранении имеющихся лесных массивов и увеличении лесистости за счёт создания лесных культур. Техногенное воздействие на лесные экосистемы проявляется постепенно, и уловить негативные сдвиги можно только при проведении периодических наблюдений. Практическая реализация Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) в лесах России (Васильева, Гитарский и др., 2000) должна включать и материалы по экологическому состоянию лесных экосистем территории КАТЭКа. Создание базы данных, периодические наблюдения и прогноз экологического состояния фитоценозов позволит разработать природоохранные мероприятия по сохранению, воспроизводству и повышению устойчивости лесов региона.
Цель работы - оценка воздействия техногенных выбросов на экологическое состояние лесных фитоценозов и разработка базовой основы экологического мониторинга. Задачи исследования:
-
Выделить уровни влияния (сильный, средний, слабый) техногенезе на фитоценозы.
-
Дать оценку современному состоянию лесных фитоценозов в зоне техногенного воздействия БГРЭС-1.
-
Определить концентрацию углерода, азота и тяжёлых металлов (ТМ) в отдельных компонентах фитоценоза (древостой, напочвенный покров, подстилка, корни) различных уровней удалённости от источника загрязнения.
-
Рассчитать биогеохимические циклы (углерода, азота, микроэлементов) в лесных экосистемах различных уровней влияния техногенеза.
Научная новизна полученных результатов заключается в том, что впервые:
-по единой программе и методике проведён сопряжённый анализ экологического
состояния конкретных и наиболее ценных лесных массивов, в различной степени
удалённых от источника техногенного воздействия - БГРЭС-1;
-изучены биогеохимические циклы углерода и азота, как меры экологического
состояния разновозрастных сосновых и берёзовых лесов региона;
-определены размеры биологической аккумуляции микроэлементов в различных
субблоках фитоценозов.
Защищаемые положения:
1. Современные биоі еохимические циклы углерода и азота, характеризующие
экологическое состояние лесных экосистем в зоне влияния БГРЭС-1, СЦЯТВедст(вуют
РОС. НАЦИОНАЛЬЙДЯГ-'
зональному типу.
БИБЛИОТЕКА С.Петербург -( ОЭ Wg акту/rj
2. Лесные экосистемы зоны техногенного влияния Березовской ГРЭС-1 испытывают
интенсивные рекреационные нагрузки, что отражается на составе напочвенного
покрова, полноте древостоев, а, следовательно, их биологической продуктивности.
3. Поступление в лесные экосистемы техногенного вещества не отразилось на
концентрации тяжелых металлов во фракциях древостоев и напочвенном покрове.
Биогеохимические циклы микроэлементов характеризуются как типичные для
данных почвенно-экологических условий. Запасы тяжелых металлов в отдельных
субблоках лесных экосистем в настоящий период обусловлены не концентрацией
элементов в почве, фракциях древостоя и напочвенном покрове, а видовым,
возрастным составом и антропогенной нарушенностью и в целом определяются
фитомассой.
Практическое значение работы заключается в том, что полученные научные материалы являются базовой основой экологического мониторинга в регионе. Они могут быть использованы при решении различных вопросов экологической оптимизации ландшафтов, в курсах лекций при подготовке студентов эколого-биотехнологического и агрономического факультетов в КрасГАУ. Апробации работы: основные положения работы докладывались на международных конференциях: XI International Conference IBFRA "Boreal forests and environment" (Красноярск, 2002), VIII Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2001" (Москва, 2001), X Международный симпозиум "Концепции гомеостаза" (Красноярск, 2000) и всероссийских: Вторая Республиканская школа - конференция "Молодежь и пути России к устойчивому развитию" (Красноярск, 2001), Вторая всероссийская конференция "Экологический риск" (Иркутск, 2001), на заседании Красноярского отделения Докучаевского общества почвоведов РАН (Красноярск, 2003).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 11 научных работах. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объём диссертации составляет 280 страниц, содержит 41 таблицу и 21 рисунок. Список литературы включает 229 наименований, в том числе 30 на иностранных языках.
Автор выражает глубокую благодарность за научные консультации д.б.н. Д.И. Назимовой, к.б.н. Т.Н. Отнюковой, к.б.н. В.Д. Перевозниковой.
Исследования автора с комплексантами поддерживались РФФИ-ККФН (грант 99-04-96016) и индивидуальным грантом ККФН 13G211. Автор являлся стипендиатом Министра сельского хозяйства РФ.
Оценка экологического состояния лесов (обзор литературы)
Глобальная роль леса в поддержании гомеостаза природной среды обусловлена количественным и качественным составом органического и минерального вещества, сконцентрированного в блоках лесной экосистемы. Тесное взаимодействие в системе "атмосфера = вода почва" поддерживает качественные и количественные параметры этих компонентов биосферы на уровне, оптимальном для состояния живых существ, в частности, леса (Леса..., 1983; Трансформация..., 1984).
Большинство негативных экологических последствий влияния промышленных предприятий на леса устраненяется на основе и с помощью проектируемых средств защиты окружающей среды. Наиболее эффективен комплексный подход к решению проблемы охраны окружающее среды, предусматривающий наряду с применением технологических средств защиты максимальное использование лесных экосистем. Леса выполняют санитарно-гигиенические, почвозащитные, водоохранные и другие экологические функции (Протопопов, 1975).
Воздействие на лесные экосистемы микроэлементов, поступающих в большом количестве с выбросами энергетических производств, имеет в основном четко выраженный локальный характер, приурочено к крупным промышленным предприятиям и наблюдается в сильно загрязнённых районах страны. Зоны повреждения лесных экосистем образуются в условиях хронического воздействия выбросов загрязняющих веществ, длительность которого составляет 10 и более лет. Выделение зон повреждения имеет важное практическое значение. При этом формируются очаги повреждений, которые впоследствии приобретают относительную стабильность во времени и пространстве и могут рассматриваться как интегральная ответная реакция экосистем на многолетнее техногенное воздействие. Площадь и характер пространственного распространения очага зависят от состава и объема выбросов, а также от условий местопроизрастания древостоев. Известно, что рассеивание загрязняющего вещества (ЗВ) в атмосферном воздухе зависит от рельефа, климатических, погодных и других условий. Анализ ответной реакции экосистем на определенные уровни загрязнения окружающей среды является лучшей альтернативой тщательным, но, к сожалению, не взаимосвязанным исследованиям среды и биоты (Пичи, Кингелен и др., 1977; Соботович, Ольшанский, 1991; Нечаева, 1999; Васильева, Гитарский и др., 2000).
До недавнего времени в качестве важнейших ЗВ рассматривалась главным образом, пыль, угарный и углекислый газы, оксиды серы и азота, углеводороды, соединения азота, калия и фосфора, ядохимикаты, синтетические органические вещества, радиоактивные изотопы. 11а химические элементы и их соединения обращалось меньше внимания. В последние десятилетия интерес к оценке химических элементов резко повысился, что связано с фактами проявления острых токсичных эффектов, вызванных промышленным загрязнением. В отличие от многих загрязняющих веществ, тяжелые металлы не включаются в процессы самоочищения: в ходе миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения. Временные изменения количества и химического состава вещества экосистем, называемые динамикой вещества, определяются процессами трансформации, миграции и аккумуляции всего комплекса химических соединений и их групп. Включаясь во все типы миграции и биологический круговорот, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред: воздуха, почвы, воды, пищи (Геохимия..., 1983; Снытко, Семёнов и др., 1987).
Оценка экологического состояния лесов и отбор показателей для этой цели базируются на теоретических постулатах биогеоценотической теории B.I I. Сукачева и его школы (Сукачев, 1964; Дылис, 1978). Важнейшими положениями при этом являются представления о мозаике биогеоценозов, существующих в пределах определённых ландшафтов и более крупных географических подразделений, обладающих относительной однородностью территории, однородностью сочетаний и взаимосвязей составляющих компонентов природного и антропогенного характера, однородностью обмена веществом и энергией между ними. Исследования Института леса им. В. Н. Сукачёва СО РАИ по аккумуляции основных питательных и зольных элементов в органах древесных растений выявили связь выноса элементов с классами бонитетов и возрастом насаждений, широтной зональностью лесов (Гире, 1996; 1998; Фокин, 2001).
Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что загрязнение почв и растительного покрова вследствие выпадения в приземной атмосфере тяжёлых металлов с атмосферными осадками и аэрозолями вблизи промышленных центров обусловливает формирование концентрических или линейных техногенных ореолов их рассеяния с ослаблением степени загрязнения по мере удаления от источника. Размеры зоны влияния топливно-энергетического комплекса определяются объемом, составом и характером распространения выбросов отдельных производств, спецификой природных условий (прежде всего рельефом и метеорологическими факторами), технологией угледобычи, сжигания, углепереработки, а также размещением объектов комплекса. Накопленные материалы свидетельствуют о многообразии форм и интенсивности субаэрального загрязнения экосистем тяжелыми метатлами в зависимости от аэродинамических и гидрометеорологических условий и от вещественного состава и форм нахождения металлов в техногенном потоке (Абрамовский, 1976; Берлянд, 1976; Добровольский, 1980).
Геоморфологическое строение, рельеф и почвообразующие породы территории
Регион имеет сложное геоморфологическое строение. (Средняя Сибирь, 1964; Физико-географическое..., 1968; Ершов, 1998).
На западе территория региона включает юго-восточігую периферию эпигерцинской платформы Западной Сибири и Северную часть Минусинского межгорного прогиба (Алтае-Саянская..., 1969). Центральная, северная и южная, а также юго-восточная части относятся к краевым поднятиям фундамента Сибирской платформы - Енисейский кряж и Восточно-Саянский антиклинорий.
Рельеф территории региона представляет собой всхолмленную возвышенную равнину юго-западной окраины Назаровской котловины и предгорья горных систем Кузнецкого Алатау и Восточного Саяна, межгорные и предгорные впадины (Назаровская, Чебаково-Балахтинская) и низкогорные кряжи (Арга, Солгон). Наиболее низкие уровни междуречных поверхностей находятся во впадинах и предгорных равнинах (180-250 м над ур. м.), наиболее высокие - в среднегорных массивах Восточного Саяна (1500-1800 м).
Назаровская впадина является самой северной и наиболее опущеной в системе Минусинского межгорного понижения. Она вытянута в субширотном направлении на 180 км и в меридиональном - до 70 км. Её поверхность полого снижается с юга и юго-востока на север и северо-запад к Западно-Сибирской аккумулятивной равнине (Природа..., 1983).
Она выполнена породами девона, карбона, юры и мела, которые перекрываются четвертичными отложениями небольшой мощности. Отложения девона и карбона представлены пестроцветными песчаниками, алевролитами, аргиллитами, известняками, туфами и туфоконгломератами. Отложения юры и мела - метаморфизированными пологозалегающимим песками, песчаниками, глинами и бурыми углями, они образуют пологие синклинальные и антиклинальные складки, заполняя мульды — Назаровскую, Березовскую и др. (Красильников, Моссаковский и др., 1955).
Горное обрамление Назаровской впадины образовано северо-западными отрогами Восточного Саяна (хр.Солгон). Граница между горным обрамлением и впадиной проходит по разломам, которые выражены в рельефе в виде гипсометрических уступов. Для южной части впадины характерен мозаичный рельеф с цепями куэст и гряд, протягивающихся в северо-западном и северовосточном направлениях.
Хребты Арга и Солгон представлены в виде субширотно-вытянутых низкогорных массивов, сформированных на кембрийских метаморфических породах, представлеїшьіх мраморизованными известняками, мраморами, кристаллическими сланцами, а также вулканогенными осадочными породами нижнего и среднего девона. Все породы сильно метаморфизованы, смяты в крутые складки.
Южнее Солгонского кряжа располагается довольно обширная Чулымо-Енисейская котловина, которая вытянута с юго-запада на северо-восток более чем на 220 км при ширине до 100-150 км. На западе её ограничивают предгорья Кузнецкого Алатау, на востоке — предгорья Восточного Саяна. Котловина включает около 20 озер с проточно-пресной водой, среди которых озеро Большое (Агроклиматический..., 1961; Природа..., 1983).
В юго-западной части І Іазаровской впадины, в районе непосредственного расположения объекта исследований, находится Шарыповская депрессия шириной до 20 км. Она вытянута и наклонена к северо-востоку, слабо расчленена современной гидросетью. Плоскоравнинная часть её рельефа сложена субгоризонтально залегающими известняками и песчаниками, алевролитами и аргиллитами верхнедевонского возраста. Склоны долин прикрыты однородными по составу рыхлыми отложениями, которые представлены легким и средним суглинком. Они подвергаются плоскостному смыву и дефляции (Салюкова, 1979).
Слабоволнистый рельеф депрессии сформирован на горизонтально залегающих песчаниках и пестроцветных глинах мелового возраста. Междуречья на равнине плоские и широкие. Они часто заболочены и плавно переходят в склоны. Реки между этими грядами меандрируют в заболоченных поймах, вскрывая меловые отложения. Мощность лессовидных суглинков на территории выровненной Шарыповской депрессии достигает 8 м, а на крыльях антиклинальных и синклинальных складок едва достигает нескольких сантиметров.
Выровненные склоны холмисто-увалистого рельефа территории расчленены густой сетью неглубоких широких плоскодонных балок. Склоны холмов и увалов с уклонами 10-18 покрыты маломощными щебнисто-дресвяно-супесчаными отложениями. Мелкохолмистый рельеф сформирован на карбонатно-кремнистых породах наклонного залегания, которые представлены туфами, различного рода конгломератами, доломитами.
Объект и методы исследований
Исследования влияния техногенных выбросов на лесные экосистемы проводились в естественных сосняках, культурах сосны и устойчивых вторичных березняках разнотравной группы типов леса южной тайги низкогорья Кузнецкого Алатау на пробных площадях (п.п.), заложенных В.Д. Стакановым (1978) и Г.П. Кузьминой (1984) в период проведения комплексных исследований Институтом леса СО РАИ в 1978-1990 гг. на территории КАТЭКа.
П.п. березняков и сосняков расположены в различных направлениях от Березовской ГРЭС-1 на расстоянии (рис. 1): 5 — 10 км — Дубинино I и Дубинине II; 10 - 15 км - Родники и Дубинино III; 30 - 40 км - березняк и 25-летние культуры сосны у оз. Большое. П.п. представляют типичные, но вместе с тем наиболее ценные для изучаемой территории лесные массивы (рис. 2, 3, 4, приложение). В качестве контрольных вариантов, условно не подверженных техногенному воздействию БГРЭС-1, были приняты п.п. (Захаринский бор и Ново-Николаевский березняк), находящиеся на расстоянии около 80-90 км от источника загрязнения (рис. 5, приложение).
В 2000 г. на п.п. было проведено повторное морфолого-таксационное обследование древостоев. Для расчёта запасов фитомассы древостоев и её структуры использовались конверсионные коэффициенты, полученные В.Д. Стакановым для сосновых и берёзовых древостоев региона (Стаканов, Алексеев и др., 1994; Стаканов, Грешилова, 2002). Образцы наземной и подземной частей древесного и травянистого покрова, лесной подстилки и почвы были отобраны на всех пробных площадях в 10-кратной повторное общепринятыми методами биогеоценотических исследований: фитомасса травяно-кустарничкового покрова, подстилки, масса корней травянистой растительности учитывались шаблоном (0,03 м2) в одних и тех же точках в 10-кратной повторносте. Подземная часть травянисто-кустарничкового яруса исследовалась на глубину почвы 0-20 см (Карпачевский, Воронин и др., 1980; Программа..., 1974 и др.).
В камеральных условиях вся фитомасса высушивалась до воздушно-сухого состояния и взвешивалась. При подготовке образцов подстилки к анализу учитывался её фракционный состав - общий образец подстилки составлялся с учётом весовой доли каждой фракции: листья; хвоя; ветви, диаметром более 1 см; ветви, диаметром менее 1 см; трава и кустарнички; мох; полуразложившаяся древесина, 01, 02. Фитомасса укосов травянистой растительности также была разобрана по видам растений с учетом их весового участия.
Лабораторно-аналитические исследования отобранных образцов выполнены общепринятыми методами в лаборатории лесного почвоведения Института леса и древесины им. В.Н.Сукачева СО РАН. При систематизации полевого и аналитического материала использовались методы математической статистики (Дмитриев, 1972).
Валовое содержание азота в растительных и почвенных образцах определялось отгонкой после мокрого сжигания их в смеси серной и хлорной кислот (Аринушкина, 1970; Гинзбург, Щеглова и др, 1963).
Похожие диссертации на Экологическое состояние лесных фитоценозов зоны техногенного воздействия Бер#зовской ГРЭС-1 КАТЭКа
