Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема определения степени устойчивости лесных экосистем (Обзор литературы) 8
1.1 Место и роль оценки устойчивости лесов в практике природосбережения и лесовосстановления 8
1.2 Анализ существующих методов определения степени устойчивости лесов и древесных насаждений 17
1.3 Биоиндикационные методы, их применение для оценки устойчивости лесных экосистем 23
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 36
2.1 Экологическая характеристика района исследования 36
2.2 Объекты исследования 38
2.2.1 Общая характеристика лесов Орловской области 38
2.2.2 Характеристика видов-биоиндикаторов 41
2.3 Методы 42
2.3.1 Методы сбора полевого материала 42
2.3.2 Методы лабораторной обработки 44
2.3.3 Вычисление уровня рекреационной нагрузки 47
2.3.4 Методы определения устойчивости экосистемы 49
2.3.5 Методы статистического анализа 54
ГЛАВА 3. Определение степени устойчивости лесных экосистем Орловской области к антропогенной нагрузке биоиндикационными методами 59
3.1 Состояние лесных экосистем вне зоны воздействия промышленных предприятий и автотранспорта 59
3.2 Состояние лесных экосистем в зоне воздействия промышленных предприятий 64
3.3 Состояние лесных экосистем на территориях, прилегающих к автодорогам 81
3.4 Состояние лесных экосистем в пригородных рекреационных зонах 93
ГЛАВА 4. Определение степени устойчивости лесных экосистем на Особо Охраняемых Природных Территориях биоиндикационными методами. На примере национального парка «Орловское Полесье» 103
4.1 Функциональное зонирование территории национального парка «Орловское Полесье»103
4.2 Состояние лесных экосистем в заповедной зоне национального парка «Орловское Полесье» 104
4.3 Состояние лесных экосистем в особо охраняемой зоне национального парка «Орловское Полесье» 108
4.4 Состояние лесных экосистем в рекреационной зоне национального парка «Орловское Полесье» 112
ГЛАВА 5. Статистическая обработка полученных данных 118
5.1 Оценка статистической значимости полученных данных 118
5.2 Корреляционный анализ результатов исследования 133
ВЫВОДЫ 137
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141
ПРИЛОЖЕНИЯ 154
- Место и роль оценки устойчивости лесов в практике природосбережения и лесовосстановления
- Экологическая характеристика района исследования
- Состояние лесных экосистем вне зоны воздействия промышленных предприятий и автотранспорта
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время антропогенное давление на лесные экосистемы постоянно усиливается. В результате происходит изменение физических и химических характеристик среды, что ведет к нарушению динамического равновесия лесных экосистем. По ориентировочным оценкам, в России общая площадь лесных массивов, пораженных только промышленными выбросами, достигает 1 млн. га (Лес России, 1995). Ухудшающееся состояние лесных комплексов требует постоянного эффективного контроля над влиянием антропогенных факторов на их устойчивость.
Устойчивость экосистемы рассматривается как соотношение между величиной стрессирующего воздействия и степенью полученного повреждения. Она же в целом зависит от устойчивости организмов, то есть их способности сохранять относительное постоянство внутренней среды - гомеостаз - в определенном диапазоне внешних воздействий (Чиркова, 2002). Наиболее чутко реагируют на изменения окружающей среды виды-биоиндикаторы, по наличию, состоянию или поведению которых судят об изменениях в окружающей среде или ее характерных особенностях (Бурдин, 1985). Изучение их количественного и качественного состава позволяет оценить состояние экосистемы в целом. Для лесных экосистем решающее значение имеет состояние видов-эдификаторов, которыми являются древесные растения.
Одним из современных и наиболее перспективных методов оценки состояния экосистем является биоиндикационный анализ, который дает интегральную оценку ситуации, так как живые организмы реагируют на все воздействия окружающей среды (Дочинжер, 1982; Климец, 1994; Виноградов, 1994; Жариков, Ротарь, 1996; Венгеров, Нумеров, 1996; Стрельцов, Шестакова, Логинов, Шпынов, Константинов, 1997; Стрельцов, 1998, 1999, 2003, 2005; Захаров, 1981, 1987, 2001; Захаров, Баранов, Борисов, 2000; Емельянова, 2000; Гилева, Нохрин, 2001; Константинов, 2001; Стрельцов, Устюжанина, 2001; Valkama, Kozlov, 2001; Жданова, 2003). Использующиеся в настоящее время
5 методики определения устойчивости лесных экосистем нуждаются в доработке на основе внедрения биоиндикационных методов.
Комплексное воздействие различных антропогенных факторов привело к тому, что в Орловской области за последние два столетия площади, занятые лесными экосистемами, катастрофически сократились и в настоящее время, по различным данным, они составляют от 7 до 9% территории (Радыгина, Киселева, Пригоряну, 2004).
Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в области являются стационарные источники: промышленные, топливно-энергетические, транспортно-дорожные, сельскохозяйственные и другие предприятия, а также передвижные источники: автомобильный, железнодорожный и воздушный транспорт.
По данным Управления Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Орловской области (до 2005 года - Управление Природных ресурсов по Орловской области), в 2003 году в атмосферу стационарными источниками выброшено 13,41 тыс. тонн газообразных и 1,35 тыс. тонн твердых веществ. Суммарные выбросы передвижных источников составляют более 96,9 тыс. тонн в год, в том числе: автомобильный транспорт -96,1 тыс. тонн (Доклад «О состоянии окружающей природной среды Орловской области в 2003 году», 2004). Наряду с воздействием на лесные экосистемы промышленного и автотранспортного загрязнения, в настоящее время существенно возрастает рекреационная нагрузка, обусловленная развитием индустрии отдыха и развлечений в естественной природной обстановке. Влияние данных факторов на лесные экосистемы Орловской области изучено недостаточно.
Цель и задачи исследования. Основная цель настоящего исследования заключается в определении устойчивости лесных экосистем Орловской области, испытывающих различные антропогенные воздействия, методами биоиндикации, разработке методических подходов для использования
биоиндикации при оценке устойчивости различных видов деревьев лесного сообщества.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
Определить уровни загрязнения тяжелыми металлами лесных почв в зоне воздействия промышленных предприятий и автомагистралей.
Определить уровни накопления этих металлов в листьях растений-эдификаторов лесного сообщества, плодах дикорастущих плодовых деревьев и плодовых телах шляпочных грибов.
Изучить динамику биоиндикационных и лесотехнических показателей видов-эдификаторов лесных экосистем в зависимости от уровня воздействия на экосистему промышленных выбросов, автотранспортных загрязнений, рекреационной нагрузки.
Изучить динамику биоиндикационных и лесотехнических показателей видов-эдификаторов лесных экосистем в условиях Особо Охраняемых Природных Территорий (далее - ООПТ).
Провести сравнительную оценку методов определения устойчивости лесных экосистем, используемых в лесном хозяйстве и методов биоиндикационной оценки стабильности развития растений.
Оценить статистическую достоверность различий биоиндикационных показателей на территориях с различной антропогенной нагрузкой по интегральным показателям и по отдельно взятым признакам.
Определить уровень зависимости стабильности развития древесного яруса лесных экосистем от загрязненности почвы тяжелыми металлами.
Научная новизна исследования: 1. Впервые произведена сравнительная оценка устойчивости лесных экосистем Орловской области, расположенных в промышленной зоне, вдоль автомагистралей, в рекреационной зоне и в условиях ООПТ с учетом биоиндикационных и лесотехнических показателей.
Разработан вариант балльной шкалы коэффициента асимметрии для дуба черешчатого.
Выявлены закономерности влияния техногенного загрязнения на растения древесного яруса лесных экосистем.
Научно-практическая значимость работы. Полученные данные могут использоваться для оценки состояния лесов лесостепной зоны, при установлении нормативов выбросов загрязняющих веществ для лесных территорий. Предполагается задействовать их в рамках экологического мониторинга на урбанизированных и охраняемых территориях, а также при ведении хозяйства в пригородных лесах. Апробированные в данной работе и предложенные автором методики ранней диагностики состояния лесов могут применяться как в научных, так и в практических целях. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается достаточным объемом исходного материала, использованием современных методов анализа и обработки полученных данных.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на научно-практической конференции «Перспективы использования природных ресурсов Орловской области» (Орел, 2001), на V Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2005), Всероссийском постоянно действующем научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность России и риск от техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2006), а также на ежегодных межвузовских конференциях ОГУ, ОрелГТУ с 2001 по 2005 год.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, отражающих ее основное содержание, одна работа принята к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы, содержащего 133 источника, в том числе 8 зарубежных авторов. Работа изложена на 154 страницах, содержит 37 таблиц, 48 рисунков, 12 приложений.
Место и роль оценки устойчивости лесов в практике природосбережения и лесовосстановления
Лесные сообщества, представляющие собой многоуровневые и многокомпонентные системы, главная роль в которых принадлежит древесным растениям, в настоящее время находятся в критическом состоянии. Проблема резкого сокращения территорий, занимаемых лесом, актуальна для Земного шара в целом и для нашей страны в частности.
За последние 10 тысяч лет на Земле уничтожено 2/3 всех лесов. Высвобождающиеся территории человечество отводит под сельскохозяйственные угодья, промышленные комплексы, быстро растущие города. Однако резкое сокращение степени лесистости нашей планеты влечет за собой целый ряд глобальных и региональных экологических, социальных и хозяйственных проблем: изменяется уровень кислородного и углеродного баланса планеты, ухудшается микроклимат, гидрологический и температурный режим территорий, наблюдается деградация рек, уничтожаются места обитания ряда биологических видов, сокращаются рекреационные ресурсы территорий.
На современном этапе необходимость сохранения и приумножения лесного фонда является очевидной.
На территории РФ леса являются преобладающим элементом окружающей природной среды. Они занимают более 2/3 площади суши страны. Общий запас российской древесины составляет 1/5 часть от мирового. Благодаря своим размерам и разнообразию экологических и социально-экономических функций леса образуют основу всех природных комплексов страны. Развитие городов и транспортной инфраструктуры России происходит главным образом за счет земель государственного лесного фонда. Расширяющееся дачное и загородное строительство ведет к увеличению антропогенной нагрузки на леса. Реформа лесного сектора экономики России привела к тому, что бывший лесопромышленный сектор страны на 95% стал частным (Писаренко, Страхов, 2001). Происходит катастрофический рост коммерческого лесопользования в лесах первой группы, где оно по закону фактически исключено.
Благодаря своему геополитическому положению Россия должна активно участвовать в выработке стратегии устойчивого развития и сохранения природных экосистем как европейской, так и азиатской частей материка.
Большое значение для оптимизации лесовосстановительного и лесообразовательного процесса, формирования структуры лесных экосистем с целью их эффективного функционирования имеет изучение влияния природных и антропогенных факторов на их продуктивность и устойчивость.
В силу прикрепленного образа жизни растения особенно зависимы от состояния двух сред - наземно-воздушной и почвенной, в которых происходит их рост и развитие. Поэтому загрязнения атмосферы и почвы оказывают непосредственное воздействие на жизнедеятельность растительного организма.
К антропогенным источникам загрязнения атмосферы относятся: 1. Промышленные выбросы. Около 20% выбросов в промышленно развитых странах приходится на промышленную деятельность (электроэнергетика, производство нефти, бумаги, химическая промышленность, черная и цветная металлургия), около 10% - на переработку и уничтожение отходов и др.
Основную массу промышленных выбросов составляют сернистый газ, оксиды углерода и аэрозольная пыль. Кроме того, в них содержатся углеводороды, аммиак, сероводород, фенол, хлор, сероуглерод, фтористые соединения. Ежегодно в масштабах планеты в результате сжигания угля в атмосферу выбрасывается до 200 млн. т. оксидов серы, 65 млн. т. оксидов азота, 80 млн. т. различных углеводородов, 250 млн. т. аэрозолей и 400 млн. т. оксидов углерода. Помимо этого, в дымовых выбросах содержатся ртуть, свинец, кадмий, мышьяк и др. (Ашихмина, Сюткин, 1997). В результате попадания в атмосферу оксидов серы и азота может происходить закисление осадков и выпадение кислотных дождей.
2. Транспорт. В промышленно развитых странах загрязнение воздуха более чем на 50% обусловлено транспортом; в крупных городах эта цифра возрастает до 60-80%.
В состав основных компонентов выхлопов двигателей внутреннего сгорания входят (в объемных %): оксиды углерода - 0,5 - 12,0; водород - 0,1 -0,5; кислород - 0,3 - 8,0; азот - 74 - 77; оксиды азота - 0,001 - 0,8; водяные пары - 3,0 - 5,5; углеводороды - 0,2 - 3,0; сажа - до 40 мг/м ; альдегиды - до 0,0002 мг/м ; бензопирен - 10-20 мг/м . Количество свинца в воздухе может достигать 4-12 мг/м . При работе на серосодержащем топливе в воздухе появляется оксид серы SO2 (Биоиндикация загрязнений наземных экосистем, 1988)..
По данным статистики, среднегодовой пробег автомобиля - 15 тыс. км. В среднем за это время он обедняет атмосферу на 4350 кг кислорода и «обогащает» ее на 3250 кг углекислого газа, 530 кг угарного газа, 93 кг углеводородов и 7 кг оксидов азота (Федорова, Никольская, 2001).
Число автомобилей из года в год растет, и, несмотря на принимаемые меры (запрещение использования этилированного бензина, применение таких экологически более чистых источников энергии как газовое топливо, этанол, электричество), загрязнение воздуха не уменьшается.
3. Отопительные системы. На них приходится около 20% выбросов в промышленно развитых странах. Сернистый газ образуется в основном при сгорании каменного угля, нефти, природного газа, содержащего сероорганические соединения, а также в цветной металлургии. Оксиды азота предшественники азотной кислоты - попадают в атмосферу в составе дыма газовых котлов тепловых электростанций, выхлопов двигателей внутреннего сгорания. Практически все выбросы оказывают отрицательное воздействие на растительность. Пагубное влияние газов растения ощущают, начиная с концентрации 0,5 мг/м . По убыванию токсичности газы группируются в ряды: F2 С12 S02 NO СО С02; С12 S02 NH3 HCN H2S (Чиркова, 2002).
По величине частиц, скорости оседания под действием силы тяжести и электромагнитному спектру загрязняющие атмосферный воздух компоненты подразделяются на пыль, пары, туманы и дым. Газы и пары, легко проникая в ткани растений через устьица, могут непосредственно влиять на обмен веществ в клетках, вступая в химические взаимодействия на уровне клеточных стенок и мембран.
Экологическая характеристика района исследования
В Орловской области основными источниками загрязнения природных, в том числе лесных, экосистем являются стационарные источники: промышленные, топливно-энергетические, транспортно-дорожные, сельскохозяйственные и другие предприятия, а также передвижные источники: автомобильный, железнодорожный и воздушный транспорт.
По данным Управления Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Орловской области (до 2005 года - Управление Природных ресурсов по Орловской области) в 2003 году в атмосферу от стационарных источников было выброшено 13,41 тыс. тонн газообразных веществ (90,8% от общего валового выброса) и 1,35 тыс. тонн твердых веществ. Среди них: оксиды углерода (6,205 тыс. тонн), оксиды азота (4,114 тыс. тонн), сернистый ангидрид (1,071 тыс. тонн), углеводороды (0,612 тыс. тонн), летучие органические соединения (0,685 тыс. тонн), оксиды марганца, хрома, алюминия, свинца, кадмия (Доклад «О состоянии окружающей природной среды Орловской области в 2003 году», 2004).
Металлургическую промышленность области представляют пять крупнейших предприятий в г. Орле и в г. Мценске. Этими предприятиями выбрасывается в атмосферный воздух до 1,369 тыс. тонн загрязняющих веществ в год. Характерными веществами, выбрасываемыми предприятиями данной отрасли, являются оксиды азота, серы, углерода, тяжелых металлов и взвешенные вещества.
Машиностроительный и металлообрабатывающий комплекс области представлен 38 машиностроительными и приборостроительными предприятиями. Количество выбрасываемых ими загрязняющих веществ в атмосферный воздух - 1,476 тыс. тонн в год, или 6,6% от общего валового выброса в целом по области. Характерными веществами, выбрасываемыми предприятиями данной отрасли, являются оксиды азота, серы, углерода, летучие органические соединения, различные виды пыли и др.
Суммарные выбросы от передвижных источников в Орловской области составляют более 96,9 тыс. тонн в год, в том числе: автомобильный транспорт - 96,1 тыс. тонн; железнодорожный транспорт - 751 тонна; воздушный транспорт - 25 тонн. Автомобильный транспорт наряду с промышленными предприятиями является наиболее мощным загрязнителем атмосферы. В выхлопных газах двигателей содержится более 200 химических соединений и элементов; наибольший вклад в структуру загрязняющих веществ вносят оксиды углерода и азота, углеводороды, сернистые соединения, сажа. Содержание этих веществ в окружающей среде негативно отражается на состоянии лесных экосистем, расположенных вблизи автотрасс.
Наряду с воздействием на лесные экосистемы промышленного и автотранспортного загрязнения, в настоящее время существенно возрастает рекреационная нагрузка, обусловленная развитием индустрии отдыха и развлечений в естественной природной обстановке.
Одним из нежелательных эффектов расширенного рекреационного природопользования является вызываемое им воздействие на лес и другие природные объекты, в результате которого наблюдаются ухудшение состояния естественных экосистем: снижение продуктивности, сокращение видового разнообразия, механическое антропогенное загрязнение ландшафтов.
Для сохранения естественных природных ландшафтов и экологического просвещения населения создаются особо охраняемые природные территории, в состав многих из них входят и лесные экосистемы. Так, на северо-западе Орловской области на территории Хотынецкого и Знаменского административных районов расположен Национальный парк «Орловское Полесье», являющийся Особо Охраняемой Природной Территорией федерального значения. Функциональное зонирование национального парка предусматривает нормирование рекреационной нагрузки на различных участках территории.
Таким образом, лесные экосистемы Орловской области развиваются в различных экологических условиях и могут служить источником информации о влиянии антропогенной нагрузки на развитие лесных экосистем.
Состояние лесных экосистем вне зоны воздействия промышленных предприятий и автотранспорта
Фитоценоз данной экосистемы развивается на светло-серой легкосуглинистой лесной почве. Для определения уровня фитотоксичности данной почвы мы провели сравнение концентрации тяжелых металлов в ее верхнем слое со значениями ориентировочно допустимых концентраций (ОДК), наиболее применимыми в настоящее время в России для оценки качества почвы (утверждены постановлением Госкомсанэпиднадзора России от 27 декабря 1994 года). Данные химического анализа в сравнении с ОДК приведены на рисунке 10.
Содержание учитываемых тяжелых металлов в почве лесной экосистемы в окрестностях села Клейменово ниже ОДК. Эти показатели можно признать фоновыми для изучаемых лесных экосистем Орловской области (Приложение 3).
Развивающиеся на данной территории деревья накапливают в листьях медь в концентрациях 3,7 -5,43 мг/кг, цинк - 3,32 - 2,4 мг/кг, кадмий 0,024 -0,029 мг/кг, свинец - 0,080 - 0,086 мг/кг. При этом береза бородавчатая накапливает в листьях в 1,4 - 1,5 раза больше тяжелых металлов, чем сосна обыкновенная в хвоинках. Особенно заметно это проявляется в накоплении меди и цинка. (Приложение 4).
Оценка употребляемых человеком в пищу плодов растений и плодовых тел шляпочных грибов данной экосистемы показала, что в плодах яблони содержание цинка ниже ПДК в 8,26, кадмия - в 2,5, меди - в 3,1, свинца - в 16,6 раз; в плодовых телах сыроежки пищевой содержание цинка ниже ПДК - в 5,1, кадмия - в 2,9, меди - в 1,6, свинца - в 20,8 раза (Приложение 4).
При этом в плодах лесной яблони содержание всех учитываемых тяжелых металлов ниже, чем в плодовых телах сыроежки пищевой. Так свинца в теле грибов в 6 раз, а меди в 4 раза больше, чем в плодах яблони. Это показывает, что грибы обладают большей способностью аккумулировать в себе токсичные вещества, присутствующие в почве, и развиваясь в экологически чистых условиях.
Похожие диссертации на Определение устойчивости лесных экосистем методами биоиндикации: на примере лесов Орловской области
