Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТЕПНЫХ ЛЕСАХ КАК РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНОГО МАТЕРИАЛА) 8
2. УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 35
2.1. Краткая физико-географическая характеристика района исследовании
2.2. Объекты исследований 41
2.3. Методы исследований 46
3. БИОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ДУБРАВ В СТЕПНОМ ЗАВОЛЖЬЕ 52
4. БИОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСКУССТВЕННЫХ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ В СТЕПНОМ ЗАВОЛЖЬЕ 10
5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЛИПОВЫХ ДУБРАВ И ИСКУССТВЕННЫХ СОСНЯКОВ 138
6. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В КОМПОНЕНТАХ ЛИПОВЫХ ДУБРАВ КРАСНОСАМАРСКОГО ЛЕСНИЧЕСТВА 144
7. КОНЦЕНТРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СОСНОВЫХ ЛЕСОНАСАЖДЕНИЯХ КРАСНОСАМАРСКОГО ЛЕСНИЧЕСТВА 187
ВЫВОДЫ 215
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 218
ПРИЛОЖЕНИЯ 244
- Краткая физико-географическая характеристика района исследовании
- БИОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСКУССТВЕННЫХ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ В СТЕПНОМ ЗАВОЛЖЬЕ
- ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В КОМПОНЕНТАХ ЛИПОВЫХ ДУБРАВ КРАСНОСАМАРСКОГО ЛЕСНИЧЕСТВА
Введение к работе
Актуальность темы
В степных естественных лесах и искусственных лесонасаждениях в силу их экстразопальности складываются необычные, специфические условия для развития видовых ценопопуляций растений, для формирования структуры сообществ и их продуктивности. Знание принципов организации лесного сообщества позволяет создавать научно обоснованную систему их рационального использования, повышения продуктивности и охраны. В то же время стенные леса как растительные сообщества изучены недостаточно. Мало исследован биоморфный и экоморфный состав растений, ход роста и продуктивность древостоя и травостоя в зависимости от лесо-растительных условий. Это и обуславливает актуальность темы данной работы.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями
Представленная работа связана с планом основных научно-исследовательских работ Самарского госуниверситета по теме «Проблемы охраны природных экосистем и биомониторинг в условиях лесостепной и степной зон» по приоритетному направлению фундаментальных исследований в области биологических наук «Биология популяций, биоценозы, биоразнообразие», включенной в тематический план Министерства образования РФ.
Цель и задачи исследований
Цель работы - исследование экоморфной и биоморфной структуры и продуктивности естественных дубрав и искусственных сосняков в условиях степного Заволжья в зависимости от лесорастительных условий, а также участия ряда тяжелых металлов в биологическом круговороте в блоке "почва-растения". В задачи исследований входило: 1) изучение видового,
экоморфиого и биоморфиого состава лесных насаждении; 2) исследование показателей роста основных лесообразующих пород и продуктивности насаждений в целом; 3) выявление структуры и запасов лесной подстилки; 4) исследование характеристик почв и их свойств в лесонасаждениях разных типов; 5) изучение содержания тяжелых металлов в основных компонентах лесных насаждений. *
Научная новизна
Автором впервые проведен сравнительный анализ естественных и искусственных насаждений степного Заволжья в сходных лесораститель-ных условиях. Исследованы особенности их видового, экоморфиого и биоморфиого состава, ход роста лесообразующих пород в высоту, в толщину, по объему ствола. Получены новые данные о запасах надземной фи-томассы древостоя, травостоя, лесной подстилки в различных типах естественных и искусственных лесонасаждений, о влиянии различного древостоя на почву. Исследованы концентрации тяжелых металлов (медь, цинк, свинец) в основных компонентах лесных сообществ в зависимости от экологических факторов.
Теоретическое значение работы
Материалы, отраженные в диссертации, могут быть использованы для развития теоретических основ экологии лесных сообществ применительно к условиям степной зоны.
Практическая значимость работы
Материалы диссертации, сформулированные в ней научные положения и выводы могут найти применение в работе природоохранных и лесо-хозяйственных организаций при оценке состояния лесных сообществ, а также для организации многолетнего биомониторинга. Они могут также служить методологической основой при изучении степных лесов другими научно-исследовательскими организациями и вузами.
Реализация результатов исследования
Результаты проведенных исследовании по диссертации используются в учебном процессе в Самарском государственном университете по специализации «Экология и охрана природы», а также на кафедре ботаники в Самарском педагогическом университете. Они внедрены в Кинельском мехлесхозе Самарской области, а также в Жигулевском государственном природном заповеднике им, И.И.Спрыгина.
Апробация работы
Основные результаты и научные положения диссертации были представлены на международных научных конференциях: «Питання бІоіндикації і екології» (Запоріжжя, 1998); «Экологические проблемы бассейнов крупных рек» (Тольятти, 1998, 2003); «Экология и жизнь» (Пенза, 1999); «Изучение и охрана биологического разнообразия ландшафтов Русской равнины» (Пенза. 1999); «Проблеми сучасної екології» (Запоріжжя, 2000, 2002); «Проблеми фундаментальної та прикладної зкології» (Кривий РІг, 2001); «Проблемы регионального экологического мониторинга» (Нижний Новгород, 2002); «Заповедное дело России: принципы, проблемы, приоритеты» (Бахилова Поляна, 2002), международных школах, симпозиумах и совещаниях: «Геохимия биосферы» (Ростов-на-Дону, 2001); «Современные методы эколого-геохимической оценки состояния и изменений окружающей среды» (Новороссийск, 2003); «Степи Северной Евразии. Эталонные степные ландшафты: проблемы охраны, экологической реставрации и использования» (Оренбург, 2003), на ежегодных научных конференциях Самарского государственного университета (1998 - 2003 гг.).
Публикации результатов исследований
По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.
Декларация личного участия автора
Автором в период 1998-2003 гг. лично осуществлены все полевые исследования, отбор растительных и почвенных образцов с пробных пло-
щадей п их лабораторные анализы. Подготовка растительных и почвенных образцов к анализу, экоморфный анализ насаждений, математическая обработка цифровых данных, написание текста диссертации осуществлены автором самостоятельно. В диссертации использованы работы, написанные в соавторстве. Доля личного участия автора в написании и подготовке этих публикаций - 60-80%.
Основные положения, выносимые на защиту
Естественные липовые дубравы и искусственные сосняки в степном Заволжье, несмотря на их внешнее сходство, существенно различаются по видовому составу, экоморфной и биоморфной структуре в зависимости от конкретных лесорастительных условий. В Красносамарском-лесничестве, использованном в качестве природного полигона, по мере перехода от песчаных почв надпойменной террасы (арены) к суглинистым почвам поймы видовое разнообразие травостоя и в липовых дубравах, и искусственных сосняках уменьшается, при этом увеличивается участие сильвантов, мегатрофов, мезофитов, повсеместно преобладают криптофиты, превалирующей биоморфой выступают длиннокорневищные виды. В сходных лесорастительных условиях и на песках арены, и па суглинках в пойме процесс сильватизации, выражающийся в возрастании роли лесных видов (сильвантов) и сокращении участия нелесных видов, осуществляется в большей мере в липовых дубравах, чем в искусственных сосняках.
Оптимальные условия для роста дуба черешчатого и липы сердцевидной в высоту, в толщину, по объему ствола, по образованию надземной фитомассы древостоя складываются на влажноватой супесчаной почве во впепоемных позициях, а для сосны обыкновенной — в пойме на свежих суглинках. В сходных лесорастительных условиях (на свежеватых песчаных почвах арены и на свежих аллювиальных суглинистых почвах в пойме) сосна обыкновенная в высоту, толщину, по объему ствола растет существенно лучше, чем дуб черешчатый и липа сердцевидная.
3) Между концентрацией меди, цинка и свинца в почве (валовые и кислоторастворимые формы), с одной стороны, и концентрацией данных элементов в морфологических частях дуба, липы, сосны, в надземной фи-томассе повсеместно представленных чистотела и ландыша, а также в травостое в целом, с другой стороны, какая-либо четкая связь или взаимозависимость не обнаруживается. Концентрация всех исследованных нами элементов (медь, цинк, свинец) в основных компонентах лесонасаждений зависит от лесорастительных условий и возрастного состояния древостоя.
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 261 странице, состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы (238 источников, из которых 38 па иностранных языках) на 26 стр., 14 приложений (17 стр.). Работа иллюстрирована 50 рисунками, содержит 46 таблиц (88 стр.).
Краткая физико-географическая характеристика района исследовании
Степное Заволжье представляет собой сыртовую равнину, с запада ограниченную р. Волгой, а его северная граница проходит примерно по нижнему течению р. Самары, по р. Большой Кинель и р. Малый Кинель (Матвеев и др., 1976). На юг и восток оно глубоко внедряется в степь Саратовской области и Оренбуржья. Стенное Заволжье практически безлесно. Единственный относительно крупный лесной массив (около 13 тыс. га) представлен в долине среднего течения р. Самары на территории Красио-самарского лесничества Самарской области, где уже 30 лет функционирует стационар Самарского госуниверситета. Наши исследования осуществлялись именно на данном стационаре в составе комплексной биогеоценоти-ческой экспедиции Самарского государственного университета. Красноса-марское лесничество находится в зоне настоящих степей, в подзоне разпо-травио-типчаково-ковыльных степей обыкновенного чернозема (Матвеев и др., 1976; Матвеев и др., 1995).
Природные условия Красносамарского лесничества достаточно подробно описаны в целом ряде работ (Матвеев и др., 1976, 1980, 1990), поэтому, опираясь на данные этих работ, мы изложим здесь лишь те положения, которые необходимы для наших изысканий.
Климат района исследований характеризуется резкими температурными контрастами, быстрым переходом от холодной зимы к жаркому лету, дефицитом влаги, сухостью воздуха, интенсивным испарением влаги и богатством солнечной инсоляции (радиации) (Матвеев и др., 1976). В течение года преобладают ясные и малооблачные дни. По данным метеостанций "Тимашево" и "Кротовка", ближайших к Красносамарскому лесничеству, на территории Краспосамарского лесничества выпадает в среднем 395 мм атмосферных осадков в основном в виде дождя и снега, из которых 212 мм (54%) приходится на теплый период (апрель-сентябрь) и 183 мм (46%) на холодный период (октябрь-март) года (район пониженного увлажнения). Наибольшее месячное количество осадков наблюдается в июне, июле, августе - 38-44 мм (Агроклиматические..., 1968).
В среднем за вегетационный период гидротермический коэффициент (ГТК - отношение количества осадков к испаряемости или к основным факторам испарения (температура воздуха, дефицит влажности воздуха и др.) на территории Краспосамарского лесничества равен 0,7-0,8. В отдельные годы возможны значительные его колебания вплоть до увеличения приходной части баланса до 1,0-1,2, но вероятность такого ГТК крайне низкая. Таким образом, на территории Краспосамарского имеет место преобладание расходной части баланса влаги над ее поступлением в виде осадков.
Другим существенным показателем условий существования лесных биогеоценозов является объем и режим поступления тепла. Для наиболее общей его оценки используют два параметра: средние месячные и среднюю годовую температуру воздуха, а также - сумму положительных (выше +10С) температур (Агроклиматические..., 1968).
Средняя годовая температура в Красносамарском лесничестве равна +4,1 С. В течение года - 7 месяцев с положительными среднемесячными температурами (апрель-октябрь), остальные 5 месяцев (ноябрь-март) - с отрицательными. Самый теплый месяц - июль со средней месячной температурой +21 С. Самые холодные месяцы - декабрь, январь, февраль, со среднемесячными температурами -10,6; -13,6 и -12,4С (Агроклиматические..., 1968; Экологическая...,1994). В Красносамарском лесничестве период с температурой воздуха + 10С п выше имеет продолжительность 149 дней, при сумме температур 2590С. Такие термические условия являются благоприятными для стабильного развития подавляющего большинства аборигенных видов растений, обитающих на территории Красносамарского лесничества. Однако в вегетационный период могут наблюдаться заморозки, отрицательно влияющие на продуктивность и нормальное развитие некоторых компонентов фитоценозов (Агроклиматические..., 1968).
Наиболее холодным месяцем года является январь с минимальной температурой -49С. Первые осенние заморозки возможны уже в первой декаде сентября (с вероятностью 7%) (Агроклиматические..., 1968).
Летний период длится около 5 месяцев. Осенний период, со средней суточной температурой воздуха ниже +10С продолжительнее весны на 13-16 дней. Зима (период со средними суточными температурами ниже 0С) продолжается в Красносамарском лесничестве около 5 месяцев (Агроклиматические..., 1968).
Холодный период с пониженными температурами (октябрь-март) характеризуется более высокой относительной влажностью воздуха - 63-80%. В теплый период (апрель-сентябрь) средняя относительная влажность воздуха составляет 41-58%. Наименьшие показатели (41%) приходятся на май-июнь. Средний годовой показатель равен 61% (Агроклиматические..., 1968).
В условиях долинно-террасового ландшафта Красносамарского лесничества почвообразующими породами в пойме являются четвертичные дрсвнеаллювиальпые отложения (пески, супеси, суглинки), а на арене кварцевые пески, отложенные рекой в период таяния ледников (Терентьев, 1988). Зональным типом почвы являются здесь обыкновенные черноземы (Матвеев и др., 1976; Почвы..., 1985). На пониженных участках речных террас встречаются солонцеватые почвы (Матвеев и др., 1976, 1990; Матвеев, Терентьев 1990).
Формирование обыкновенных черноземов в условиях арены идет очень медленно в силу особенностей материнской породы (Матвеев и др., 1990). В низинах и глубоких котловинах, где близко к поверхности залегают грунтовые воды, на почвообразовательный процесс накладывается действие факторов экстразонального и интразоналыюго характера. Здесь небольшими участками встречаются луговато-черноземные, лугово-черноземные, луговые и лугово-болотные почвы (Матвеев и др., 1980, 1990; Матвеев, Терентьев, 1990).
БИОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСКУССТВЕННЫХ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ В СТЕПНОМ ЗАВОЛЖЬЕ
На территории Самарской области сосна обыкновенная находится на границе своего ареала, а знаменитый Бузулукский бор (южная Лесостепь) выступает ее самым южным форпостом (Матвеев и др., 1976).
Красносамарский лесной массив, где мы проводили свои исследования, находится уже за пределами южной границы естественного произрастания сосны, и здесь она представлена исключительно искусственными лесокультурами (Матвеев и др., 1976). Поскольку сосняки в Красносамар-ском лесничестве встречаются там же, где и охарактеризованные выше естественные липовые дубравы (и в пойме, и на надпойменной песчаной террасе - арене), мы исследовали их для сравнения
Изучение сосновых насаждений осуществлялось нами на пробных площадях №№ 16 и 13 (в пойме р. Самары), 23а и 236 (па арене) (рис. 4.1.)-Их описания даны в главе 2.
Ценоморфный состав древостоя сосновых насаждений на свежеватом песке на арене (пл. 23а м 236) представлен исключительно лесными видами - сильваптами - Sil (100%) (табл. 4.1. и 4.2.). По отношению к почвенному плодородию здесь представлена только группа олиготрофов -OgTr (100%), из гигроморф превалируют ксерофиты - Ks (98,4...99,99%).
Древостой в сосняках на свежем солонцеватом суглинке и свежем незасоленном суглинке в пойме р. Самары также представлен только силь-вантами (100 %). Из трофоморф в сосняке на свежем суглинке (пл. 13) в древостое преобладают мезотрофы - MsTr (44,7%) и олиготрофы - OgTr (42,8%) с существенной примесью мегатрофов - MgTr (12,5%) (табл. 4.1. и 4.2.). Из гигроморф превалируют влаголюбивые виды (KsMs - ксеромезо-фиты, Ms - мезофиты, MsHgr- мезогигрофиты) (65,7%).
Сосновое насаждение на солонцеватом свежем суглинке (пл. 16) сложено в основном олиготрофами (67,7%) и мегатрофами (31,1%), доля влаголюбивых видов (Ms, MsHgr) здесь несколько снижается по сравнению с сосняком на свежем суглинке и составляет 31,7%.
Как и в дубравах, при изучении искусственных сосняков мы оценивали условия произрастания сосны обыкновенной, обитающей в степном Заволжье (Краспосамарское лесничество) в сравнении с подзоной хвойно-широколиственных лесов, где данный вид находится в условиях своего географического и экологического соответствия (по Бельгарду, 1971), то есть в своем экологическом оптимуме. Для этого, как уже отмечалось ранее, мы использовали экологические шкалы Д.Н.Цыганова (1983).
Все исследованные нами местообитания сосны в Красносамарском лесничестве характеризуются достаточно близкими к ее экологическому оптимуму значениями таких экологических режимов как кислотность (Re) и обеспеченность почвы азотом (Nt), но здесь обнаруживается дефицит увлажнения (Hd) и избыток - тер.моклиматического (Тт) и солевого (Тг) режимов (табл. 4.3.).
Одним из важнейших условий, определяющих структуру чистого одновозрастного древостоя, Г.Ф. Морозов (по Рубцову и др., 1976) считал дифференциацию деревьев по высоте и диаметру, в результате которой складывается закономерное распределение деревьев по их таксационным признакам, определяющим структуру и продуктивность насаждения. Дифференциация деревьев, отличающая культуры от естественных насаждепин, является основной причиной особенностей их строения (Рубцов п др., 1976).
Для выявления основных показателей роста сосновых насаждений мы осуществили таксационный перечет в пределах каждой пробной площади с последующими расчетами среднего диаметра и средней высоты деревьев сосны в каждом насаждении. Были спилены и обработаны модельные деревья с определением массы ствола с корой, ветвей, хвои.
Вполне логично, что в мпоговозрастных сосняках (пл. 13 и 23а) и высоты, и диаметры сосен больше, чем в относительно молодых (пл. 16 и 236), но в близких по возрастному состоянию сосняках и в стадии изрежи-вания (пл. 13 и 23а) на песках арены диаметр стволов несколько толще, а высота меньше, чем на суглинках в пойме (рис. 4.2., прилож. 7).
Из-за возрастных различий исследуемых сосновых насаждений Красносамарского лесничества, мы для удобства анализа хода роста сосны по высоте, диаметру и объему, также как и в случае липовых дубрав, ограничиваемся 50-летним возрастом (подробная информация в прилож. 8).
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В КОМПОНЕНТАХ ЛИПОВЫХ ДУБРАВ КРАСНОСАМАРСКОГО ЛЕСНИЧЕСТВА
Согласно геохимической классификации ландшафтов (Перельман, 1975) липовая дубрава на арене (пл. 6) относится к элювиальным ландшафтам водоразделов, дубрава в верхней части переходного от арены к пойме склона (пл. 7) - к трансэлювиальным ландшафтам склонов речных долин, липовая дубрава в нижней части переходного от арены к пойме склона (пл. 8) - к трансэлюпиально-аккумулятивным ландшафтам подножий склонов, липовая дубрава в пойме (пл. 31) - к супераквальным аккумулятивным ландшафтам.
Различие положения в рельефе на фоне физико-химических особенностей почв изучаемых липовых дубрав определяют характер аккумуляции и миграции тяжелых металлов в их основных компонентах.
Известно, что валовое содержание химических элементов в естественных незагрязненных почвах в основном связано с их содержанием в материнской породе, с ее генезисом, петрохимией, особенностями почвообразования (Ковда, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Добровольский, 1998). Подвижные формы тяжелых металлов отражают возможность их водной миграции по профилю, доступность для корней растений, а также характеризуют их потенциальную опасность накопления в почвах (Ильин, 1991), Почвенно-поглощающий комплекс связывает часть тяжелых металлов и тем самым может снижать их поглощение корнями растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Исследованные нами почвы липовых дубрав отражают ряд постепенного утяжеления их механического состава (от песков до суглинков), при этом увеличивается содержание в них гумуса и возрастает рН среды: пл 6 пл 7 пл 8 пл 31.
В табл. 6.1. представлены усредненные данные за 1999-2002гг. о валовом содержании Си, Zn и Pb в почвах липовых дубрав Красиосамарского лесничества.
Оговоримся, что валовое содержание тяжелых металлов в почве характеризует их общий запас. Доступность же этих элементов для растений, как считается, прежде всего, связана с содержанием их подвижных форм в почве. В нашей работе под потенциально подвижными формами мы понимаем растворимые в 1- нормальной IINOj соединения тяжелых металлов (табл. 6.2.).
Степень подвижности исследуемых тяжелых металлов мы определяем как отношение их кислоторастворимых форм к их валовому содержанию в почве (табл. 63.).
Полученные данные мы сравнили со средним (фоновым) содержанием тяжелых металлов в почвах в подзоне разнотравно-типчаково-ковыльных степей Поволжья (Матвеев и др., 1997). Как видно из рис. 6.1., валовое содержание свинца в почвах всех липовых дубрав Красносамарского лесничества достаточно высоко и превышает фоновое, а цинка здесь по сравнению с фоном меньше. Отмечено превышение фонового уровня меди в почвах всех изученных дубрав. Исключение составляет лишь
Усредненное валовое содержание тяжелых металлов в пере-гнойно-аккумулятивиом горизонте почв липовых дубрав Красносамарско-го лесничества в сравнении с региональным фоном супесчаная почва дубравы в верхней части склона от арены к пойме (пл. 7), где концентрация меди не превышает фоновую.
Валовая концентрация меди в почвах исследуемых дубрав (пл. 6, 7, 8 и 31) изменяется от 20, 0 до 30,3 мг/кг (табл. 6.1.). В свежеватой песчаной почве на арене, во влажноватой супеси в нижней части переходного от арены к пойме склона и во влажном солонцеватом суглинке в пойме (пл. 6, 8 и 31) концентрация меди - 28,3-30,0 мг/кг. Несколько меньше ее в свежеватой супеси в верхней части переходного склона (пл. 7) - 20,0 мг/кг. Достаточно широкое варьирование концентраций (6,0-29,0 мг/кг) меди характерно в супесчаной свежеватой почве дубравы в верхней части переходного склона (пл. 7) и во влажной солонцеватой суглинистой почве дубравы в притеррасной части поймы (пл. 31).
Распределение потенциально подвижных (кислоторастворимых) форм меди в почвах дубрав несколько отличается от ее валовых форм. Песчаная свежеватая почва дубравы на арене, супесчаная свежеватая почва дубравы в верхней и влажноватая супесчаная почва дубравы в нижней части переходного от арены к пойме склона (пл. 6, 7 и 8) имеют достаточно близкие концентрации подвижных форм меди (от 7,0 до 8,8 мг/кг), в суглинистой влажной солонцеватой почве дубравы в пойме концентрация подвижных форм меди резко возрастает и составляет 22,5 мг/кг (табл. 6.2.). Степень подвижности меди также максимальна в суглинистой влажной солонцеватой почве поймы и составляет 68,9% (табл. 6.3.).
