Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА (РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛЕСООБРАЗОВАТЕЛЬНОГ ПРОЦЕССА НА КРАЙНЕМ СЕВЕРЕ В ЕСТЕСТВЕННЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ УСЛОВИЯХ) 8
1.1. Региональные особенности и направления лесообразовательного процесса в мерзлотной зоне Сибири 8
1.2. Особенности естественного возобновления лесов и редколесий Крайнего Севера 13
1.3. Техногенные сукцессии в притундровых лесах 22
1.4. Репродуктивные процессы деревьев и естественное лесовозобновление в условиях техногенного стресса 30
Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ... 37
2.1. Характеристика района исследований 37
2.2. Объекты исследования. Характеристика ключевых участков... 43
2.3. Методы исследования и объем выполненных работ 46
Глава 3. СОСТОЯНИЕ НАСАЖДЕНИЙ И ХОД ЛЕСООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ НОРИЛЬСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА 52
3.1. Лесные экосистемы, сформировавшиеся под воздействием естественных факторов 53
3.2. Умеренно нарушенные лесные экосистемы 67
3.3. Сильно и очень сильно нарушенные лесные экосистемы 76
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗОБНОВЛЕНИЯ В ПРИТУНДРОВЫХ ЛЕСАХ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ 83
4.1. Естественное возобновление лесов равнинных ландшафтов... 83
4.2. Естественное возобновление лесов низкогорных ландшафтов.. 93
Глава 5. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОДРОСТА ХВОЙНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ПРИРОДНОГО ФОНА НОРИЛЬСКОЙ КОТЛОВИНЫ 110
5.1. Анализ морфометрических параметров подроста лиственницы сибирской 111
5.2. Анализ морфометрических параметров подроста ели сибирской 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
ЛИТЕРАТУРА 131
ПРИЛОЖЕНИЯ 160
- Региональные особенности и направления лесообразовательного процесса в мерзлотной зоне Сибири
- Характеристика района исследований
- Лесные экосистемы, сформировавшиеся под воздействием естественных факторов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Активное освоение Севера в последние несколько десятилетий привело к нарушению целостности лесных биогеоценозов, их дестабилизации, замене другими формациями и к прочим негативным последствиям. Тема антропогенного воздействия на природные сообщества активно изучается исследователями разных направлений (Николаевский, 1987; Ковалев, Филипчук, 1990; Ершов, 1992; Мозолевская, Катаев, 1992; Седых, 1996; Харук и др., 1996; Осколков, 1998; Копцик и др., 2001; Цветков, 2001; Воробейчик, 2003; Цветков, Цветков, 2003; Черненькова, Бочарникова, 2003; Менщиков, 2004; Абаимов, 2005; Wood, 1974; Ernst, 1976; Smith, 1981 и др.). Однако, в литературе имеется очень мало сведений об особенностях естественного возобновления лесов подверженных техногенному воздействию. При этом естественное возобновление является одним из важнейших природных свойств лесных сообществ и биологической предпосылкой их длительного существования.
Данные о ходе естественного возобновления в притундровых лесах и редколесьях Красноярского края в условиях аэротехногенного загрязнения отсутствуют. Учитывая большую чувствительность северных лесов к стрессовым факторам, есть основания предполагать, что существуют определенные региональные особенности данного процесса в условиях техногенного стресса, которые еще не изучены. Рассмотрение многообразных закономерностей этого процесса позволит выявить тенденции и пути дальнейшего развития фитоценозов.
Особенности возобновления притундровых лесов и редколесий Средней Сибири в естественных условиях так же изучены не достаточно. В имеющихся трудах содержатся в основном сведения о количественных характеристиках данного процесса. При этом остаются не изученными
вопросы, касающиеся закономерностей роста и развития подроста, его морфологических особенностей, отсутствуют качественные оценки подроста.
Цель и задачи исследования. Цель работы - дать оценку процессов естественного возобновления в притундровых лесах Красноярского края в условиях техногенного загрязнения.
Задачи исследований:
Оценить состояние насаждений и выявить направленность лесообразовательного процесса в зоне воздействия предприятий Норильского промышленного района;
Выявить региональные особенности естественного лесовозобновления в зависимости от степени техногенной нарушенности лесных экосистем;
Разработать шкалу оценки качественного состояния подроста, произрастающего в условиях природного фона Норильской котловины.
Научная новизна. Впервые дана оценка процессов естественного возобновления в притундровых лесах Красноярского края в условиях аэротехногенного загрязнения. Установлены региональные особенности данного процесса в зависимости от степени нарушенности лесных экосистем.
Выявлены основные закономерности изменения морфометрических параметров подроста основных лесообразующих пород исследуемого региона в зависимости от ухудшения его жизнеспособности. На базе этого разработаны шкалы оценки жизненного состояния хвойного подроста.
На основании анализа возрастной структуры лесов исследуемого региона дополнены представления о влиянии природных и антропогенных факторов на направления и темпы восстановительных сукцессии лесной растительности в мерзлотной зоне Сибири.
Практическая значимость. Полученные результаты о характере естественного лесовозобновления могут быть использованы при оценке трансформации северных лесов и их возобновительного потенциала в условиях техногенного загрязнения, а также при проведении экологических
экспертиз и разработке лесоустроительных проектов. Разработанные шкалы оценки качества подроста имеют методическое значение при определении жизнеспособности молодых особей основных лесообразующих пород Севера Красноярского края в естественных и техногенно нарушенных условиях.
Обоснованность и достоверность результатов исследований обеспечена
анализом большого репрезентативного натурного материала, собранного с применением соответствующих методик за трехлетний период в результате комплексной экспедиции;
- комплексным подходом к решению поставленных задач;
- применением современных математических методов, компьютерной
техники и пакетов прикладных программ.
Кроме того, результаты исследований согласуются с данными других исследователей, изучавших схожие проблемы в других промышленных районах России.
Защищаемые положения:
1) В зонах очень сильной и сильной нарушенности экосистем процессы
естественного возобновления либо полностью подавлены, либо не способны
обеспечить стабильного существования лесных сообществ.
2) В условиях промышленного загрязнения наибольшим
возобновительным потенциалом обладают береза пушистая и ель сибирская,
наименьшим - лиственница сибирская.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на трех региональных конференциях молодых ученных Института леса им. В.Н. Сукачева «Исследование компонентов лесных экосистем Сибири» (Красноярск, 2004, 2005, 2006), Всероссийской конференции «Природная и антропогенная динамика наземных экосистем» (Иркутск, 2005), Всероссийской конференции молодых ученых «Экология в меняющемся мире» (Екатеринбург, 2006), Международной конференции
«Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, 3 находится в печати, подготовлен материал для коллективной монографии.
Личный вклад диссертанта. Все исследования по диссертации выполнены лично автором или при его непосредственном участии: аналитический обзор литературных данных, обоснование методов исследования участие в сборе и первичной обработке материала в 2003-2004 гг.; математическая обработка собранной информации и анализ полученных данных; обоснование выводов, написание статей и диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 5 Приложений. Основной текст изложен на 127 страницах, иллюстрирован 38 рисунками и содержит 16 таблиц. Список литературы включает 260 наименований, в том числе 15 иностранных.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному
руководителю [д.б.н., проф. А.П. АбаимовуІ за всестороннюю помощь в работе над диссертацией, к.с.-х.н. В.В. Иванову за проявленный интерес и помощь в работе; д.б.н., проф. В.В. Кузьмичеву, д.с.-х.н., проф. И.В. Семечкину, д.б.н. П.А. Цветкову, к.с.-х.н. А.И. Бузыкину; к.б.н. О.Н. Зубаревой, к.б.н. О.А. Зыряновой за консультации и ценные советы, которые были учтены при подготовке рукописи диссертации, а также сотрудникам ИЛ СО РАН, участвовавшим в комплексных исследованиях, за помощь в сборе материала в труднодоступных районах Севера Красноярского края.
Диссертационная работа была выполнена в рамках хоз.-договора № 218-02/Н (Норильск) и при поддержке ККФН (гранты № 14G094 (2004), № 10TS-066(2006)), интеграционного проекта СО РАН и ДВО РАН № 53 и интеграционных проектов СО РАН № № 5.17 и 5.18.
Региональные особенности и направления лесообразовательного процесса в мерзлотной зоне Сибири
Согласно Б.П. Колесникову (1958, 1974), лесообразовательный процесс следует рассматривать как совокупность процессов возникновения, формирования, разрушения и смены лесных сообществ. Начало и продолжительность лесообразовательного процесса, его характер и интенсивность определяются: географическим положением, радиационно гидрологическим потенциалом, геоморфологией, физико-химическими свойствами почвообразующего материала, спецификой истории образования и развития лесной растительности, интенсивностью воздействия антропогенных факторов и пр. (Смолоногов, 1999; Седых, 2006).
Вопросы динамики лесов на северном пределе их распространения представляют особый интерес, так как здесь в случае возможных глобальных климатических изменений компоненты растительных сообществ могут проявить некоторые специфические реакции как на уровне внутриценотических, так и межценотических отношений, выявить которые возможно, только зная процессы их естественного развития (Горячев, 2005).
Мерзлотная зона Сибири имеет свою специфичность лесообразовательного процесса, которая обусловлена рядом особенностей. Многолетняя мерзлота обусловливает малую толщину корнеобитаемого слоя холодных мерзлотных почв в течение всего вегетационного периода и своеобразный гидрологический режим. Сплошное распространение многолетней мерзлоты определяет ведущую роль корневой конкуренции за трофические ресурсы и доступную влагу в деятельном горизонте мерзлотных почв между всеми ярусами растительности (Дадыкин, 1952; Поздняков, 1975, 1986; Софронов, Абаимов, 1991). Неудовлетворительная теплообеспеченность корнеобитаемого слоя холодных мерзлотных почв в период вегетации влияет на режим минерального питания, приводит к понижению общей физиологической активности растений и микроорганизмов, что влечет за собой замедленность трансформации органического вещества и затрудняет развитие продукционного процесса (Прокушкин, 1992). Это находит отражение в низкой продуктивности лиственничных древостоев Крайнего Севера (Абаимов, 1997).
Если в сомкнутых таежных лесах свет является лимитирующим экологическим фактором, то леса мерзлотной зоны не испытывают в нем дефицита. Это, прежде всего, связано с изреженностью крон деревьев и низкой сомкнутостью древесного полога. Обилие света замедляет процесс изреживания древостоев: света достаточно и для господствующих, и для отставших в росте деревьев, а также для нижних ярусов растительности, в том числе для светолюбивых элементов тундровой флоры (Абаимов, 1997, 2005). Древостой и хорошо развитые подчиненные ярусы растительности оказывают огромное влияние на молодое поколение леса. Подробнее к этому моменту мы обратимся в подразделе 1.2.
Лесные экосистемы Крайнего Севера характеризуются высокой природной пожарной опасностью (Софронов, Волокитина, 1995, 1996). Она обусловлена особенностями структуры и строения древостоев, нижних ярусов лесной растительности, своеобразием гидротермического режима мерзлотных почв, климатических условий, предопределяющих в совокупности их повышенную горимость (Абаимов и др., 2001). Периодически повторяющиеся лесные пожары с интервалом 40-100 и более лет не только определяют соответствующую цикличность в развитии лесных экосистем, но и приводят к нарушению трендов возрастной динамики, коренным образом трансформируют эдафические условия, почвенно-микробиологические и биохимические процессы. Они вызывают тепловую мелиорацию, трансформируя гидротермический режим, понижая на некоторое время уровень залегания многолетней мерзлоты, в результате чего увеличивается деятельный горизонт почвы (Абаимов и др, 1997). Пожары, нарушая относительное равновесие природных процессов в системе «атмосфера - лес - почва - мерзлота», создают предпосылки для проявления как регрессивной, так и прогрессивной роли огня в динамических процессах (Поздняков, 1975; Матвеев, Усольцев, 1990, 1991; Абаимов и др., 1991, 1997, 2001; Цветков, 1991, 1996; Абаимов, 1997, 2005; Леса Красноярского ..., 1997; Данилин, 1997; Подшивалов, 2000; Фуряев и др., 2001; Платонов, 2004).
Сильные устойчивые низовые пожары могут уничтожать не только теплоизолирующий слой мохово-лишайникового покрова и подстилки, но и органический слой почвы, нарушая тем самым относительную стабильность теплообмена и провоцируя развитие склоновой солифлюкции и процессов термокарста на выровненных поверхностях рельефа. При этом происходит разрушение лесорастительной среды, на длительный период утрачиваются экологические и биосферные функции лесов и редколесий мерзлотной зоны. Восстановление типичных для Крайнего Севера редколесий, приближенных по своей структуре и строению к исходным сообществам, обычно происходит не ранее, чем через 100-150 лет (Чибисов и др., 1992; Абаимов, 1997,2004; Зырянова и др., 2004; Sofronov et al., 2000).
После слабых и средних по силе низовых пожаров, преобладающих в мерзлотной зоне, создаются, как правило, благоприятные условия для последующего лесовозобновления. Положительная роль пожаров, выступающих в мерзлотной зоне главным лесообразующим фактором, выражена в огневой минерализации и тепловой мелиорации мерзлотных почв, которые улучшают трофический режим, повышая содержание доступных элементов питания: прежде всего азота и фосфора (Прокушкин и др., 2004). Пожар вызывает гибель подчиненных ярусов лесной растительности и деревьев основного полога, повреждая их корневые системы, в результате чего ликвидируется или значительно снижается корневая конкуренция, которая лимитирует процессы естественного лесовозобновления (Поздняков, 1975, 1986; Степанов, 1985; Седых, 1988, 1996; Цветков, 1990, 1991, 2005; Софронов, 1991; Цыкалов, 1991; Бойченко, Исаев, 1992; Абаимов, 1997; Леса Красноярского Заполярья, 1997; Абаимов и др., 2001; Цветков и др., 2001; Тимофеев, 2004; Abaimov, Sofronov, 1996; Babintseva, Titova, 1996).
Характеристика района исследований
Район исследований расположен на территории Таймырского (Долгано-Ненецкого) автономного округа, за Полярным кругом (бб З с.ш.) в северо-западной части Средне-Сибирского плоскогорья.
В физико-географическом отношении территория располагается на стыке двух физико-географических стран - Западной Сибири и Средней Сибири, двух геотектонических морфоструктур - Западно-Сибирской плиты и докембрийской Сибирской платформы и двух ландшафтно-геоботанических подзон - южной кустарничковой тундры на севере и северотаежных лесов на юге (Ершов, 2004).
Территория исследования относится к Средне-Сибирской плоскогорной лесорастительной области, Путоранской горной провинции северотаежных редкостойных лесов и горных тундр (Коротков, 1991).
Климат провинции резко континентальный. В направлении с запада на восток континентальность климата возрастает, отмечается уменьшение количества осадков (в среднем от 300 до 560 мм) и снижение среднегодовых температур воздуха (от -9.7 до -12.9С). Повышенное количество осадков в западной части провинции связано с высокой циклонической деятельностью в теплый период. Путоранский уступ находится на пути насыщенных влагой относительно теплых западно-арктических воздушных масс и перехватывает основную часть осадков. При движении на восток действие циклонов уменьшается. Зимой над всей областью устанавливается антициклон, и проникновение циклонов случается редко. Преобладает ясная, морозная погода с большим количеством безветренных дней, осадков выпадает очень мало (100-150 мм). Зима продолжительная и очень холодная, длится более 6 месяцев. С установлением снежного покрова (в конце сентября - начале октября) происходит резкое понижение температуры воздуха. Этому способствуют быстрое укорачивание продолжительности дня, последующее наступление круглосуточной полярной ночи и развитие антициклонического режима погоды. Средняя температура января -30, -32 С. В зимние месяцы наблюдается интенсивное проявление температурных инверсий. Лето короткое, но теплое. Средняя температура июля +8 - +12 С. Для региона обычны резкие сезонные (от 60 до 100 С) и суточные температурные контрасты. Продолжительность вегетационного периода с температурой более +5 С на западе составляет 80-92 дня, к центральной части плато уменьшается до 50 дней. Краткость этого периода компенсируется круглосуточным освещением в течение 2 месяцев (начало июня-начало августа) и близким к круглосуточному в остальное время лета. Среднемесячная относительная влажность воздуха на исследуемой территории в течение всего года высока и изменяется мало. Максимальных значений (78-81%) она достигает в осенний период, минимальных (68 %) - в июле (Пармузин, 1959, 1962; Галахов, 1964; Москаленко, 1965; Справочник по климату СССР, 1967, 1969; Мироненко, 1975а; Водопьянова, 1976; Предтундровые леса, 1986; Деева, 1995; Абаимов и др., 1997).
Ветровой режим зависит от распределения атмосферного давления, рельефа местности и других физико-географических особенностей рассматриваемого района. В зимний период преобладают ветры южного и юго-восточного направления, при этом скорость ветра достигает наибольших значений - 7 м/сек (декабрь). В летний период, когда давление над Арктикой становится больше, чем на материке, господствуют северные и северозападные ветры со скоростями от 4.2 до 5.0 м/сек. Весной и осенью ветровой режим сходен между собой. В эти периоды наблюдаются в равной мере ветры северо-западного и юго-восточного направлений, со скоростями, не превышающими 6.0 м/сек (Москаленко, 1965; Справочник по климату СССР, 1967,1969).
Рельеф и почвы. В геоморфологическом отношении район исследования охватывает Норильское плато (хребет Лонтокойский камень и Норильские горы), Норильскую котловину (депрессию) и горы западного макросклона плато Путорана. В горах господствует трапповое плато со столообразной поверхностью и ступенчатыми склонами. Поверхность плато прорезана глубокими (700-1000 м) долинами рек и озерными котловинами (Лиханов, 1964; Пармузин, 1962; Ершов, 2004). Норильская котловина представляет собой вытянутую в меридиональном направлении (более 200 км) широкую (20-60 км) тектоническую депрессию, ограниченную с востока плато Путорана, с севера - плато Хараелах, с запада -Лантокойским камнем, и открытую в двух направлениях: в северо-восточном и юго-западном, где она стыкуется с прибрежной террасированной равниной р. Енисей. Рельеф впадины - моренный, представлен плоской слабодренированной (заболоченной) равниной с абсолютными отметками 50-100 м (Ершов, 2004).
Почвы заполярного севера Средней Сибири относятся к классу мерзлотных (Почвенная карта..., 1988). В системе почвенно-географического районирования территория исследования входит в состав Приенисейской почвенной провинции мезокомбинаций комплексов подбуров, криоземов и торфяных мерзлотно-болотных почв (Ершов, 2004).
Лесные экосистемы, сформировавшиеся под воздействием естественных факторов
Основной фон современного лесного покрова мерзлотной зоны Сибири формируют разновозрастные лиственничные леса и редколесья (Бондарев, 1994, 1995). Однако эти леса нельзя считать девственными, поскольку воздействие пожаров, как природного фактора, сопровождало формацию лиственничных лесов мерзлотной зоны на протяжении всего периода ее послеледникового существования (Фуряев, 1996). Согласно данным А.П. Абаимова и др. (1997), на одном и том же участке леса низовые пожары повторяются с периодичностью 40-100 и более лет. В результате, здесь исключается длительное саморазвитие и практически не наблюдается формирования климаксовых сообществ. Под влиянием совокупности факторов, таких как давность огневого воздействия, вид и сила пожара, вид лесообразователя, особенности рельефа местности и микрорельефа, структура нижних ярусов растительности и др., реализуется тот или иной сценарий послепожарной динамики лесных биогеоценозов (Абаимов, 1997; Зырянова и др., 2004).
В насаждениях, образованных лиственницей Гмелина, послепожарные восстановительные сукцессии протекают преимущественно без смены пород. Это обусловлено тем, что во многих случаях этот вид лучше других древесных пород Сибири приспособлен к произрастанию на холодных мерзлотных почвах, подстилаемых толщей многолетних грунтов, и не имеет конкурентов (Поздняков, 1975; Абаимов, 1997). Возобновление лиственницы Гмелина на гарях и пожарищах происходит достаточно успешно, так как в большинстве случаев часть деревьев допожарной генерации, исполняющих роль обсеменителей, сохраняются в течение нескольких лет после пожара. В результате формируются одновозрастные или условно-одновозрастные древостой разной густоты с коэффициентами вариации возраста до 12 % (Семечкин, 2002; Приложение 2).
По данным А.П. Абаимова (1997), в результате огневой минерализации и тепловой мелиорации мерзлотных почв при обильном обсеменении гарей создаются условия для формирования перегущенных пирогенных лиственничников. Последующее ухудшение почвенно-гидрологических условий и температурного режима почвы способствует замедлению развития перегущенных насаждений и превращению их на неопределенный срок в так называемые «вечные жердняки». Возобновительные процессы в таких условиях либо отсутствуют, либо протекают крайне замедленно. Численность самосева и подроста не превышает 600 шт./га.
В случае полной гибели древостоя, когда пожару предшествует несколько неурожайных лет, происходит неудовлетворительное возобновление лиственниц Гмелина. На гари может насчитываться всего от нескольких экземпляров до нескольких десятков деревьев лиственницы. На месте коренных разновозрастных редколесий образуются послепожарные лиственничные редины. В таких случаях, происходит обильное порослевое возобновление подлесочных пород. В первые 5-Ю лет после пожара на таких гарях могут сформироваться кустарниковые сообщества из ольховника кустарникового, березы карликовой и нескольких видов ив. Это затрудняет дальнейшее поселение лиственницы даже после того, как появившиеся на гари отдельные молодые деревья начинают плодоносить. Восстановление эдификаторной роли лиственницы в этих случаях затягивается на несколько десятилетий и происходит, чаще всего, с периферии.
В насаждениях, образованных лиственницей Гмелина, при умеренном послепожарном возобновлении, когда сохранилась часть деревьев допожарной генерации, возможно формирование условно-разновозрастных древостоев оптимальной для северных широт густоты (по А.П. Абаимову: 300-700 шт./га). Примером может служить древостой ключевого участка
«Кутарамакан», коэффициент вариации возраста деревьев которого равен 14.6 % (Приложение 2). Как видно из рис. 3.1, послепожаное поколение возникло одним законченным возобновительным циклом. Согласно И.В. Семечкину (2002), в этом случае экологическая ниша оказалась использованной, в результате чего резко сократился процесс пополнения формирующегося поколения вновь появляющимися особями, которые образуют теперь только подрост. Возрастной разрыв между образовавшимся послепожарным поколением и подростом лиственницы достигает 120 лет. Подрост не проходит полного жизненного цикла и отмирает. В этом случае, его нельзя считать молодым поколением леса. Лишь при определенных экологических условиях (гибель всего или части древостоя в результате пожара, естественный распад основного поколения) может появиться возможность для развития подроста и других компонентов возобновительного фонда (всходы, почвенный запас семян), которые получат место в освободившейся экологической нише.
