Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ АЭРОПРОМВЫБРОСОБ НА ЛЕСНЫЕ ЭКОСИТЕМЫ (обзор литературы) 8
ГЛАВА 2. ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Природные условия района исследований 21
2.1.1. Географическое положение 21
2.1.2. Геологическое строение 21
2.1.3. Рельеф 23
2.1.4. Климат 25
2.1.5. Почвообразующие породы и почвы 28
2.1.6. Растительность 31
2.2. Характеристика загрязнения территории Республики
Бурятия атмосферными выбросами промышленных предприятий 35
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 42
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ХВОЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В БАССЕЙНЕ Р. СЕЛЕНГИ
4.1. Фоновое содержание химических элементов в хвое сосны 53
4.2. Влияние промышленного загрязнения на содержание химических элементов в хвое сосны
4.2.1. Содержание общей серы 64
4.2.2. Содержание фтора 70
4.2.3. Содержание кремния 74
4.2.4. Содержание тяжелых металлов (ртуть, кадмий, свинец, медь, цинк, железо, марганец)... 78
4.2.5. Содержание макроэлементов (азот, фосфор, калий, кальций, магний) и натрия 106
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ДРЕВОСТОЕВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ ПО МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ
5.1. Визуальные и морфомстрические и параметры сосны
5.1.1. Уровень дефолиации крон и продолжительность жизни хвои 121
5.1.2. Состояние хвои и побегов 127
5.2. Показатели азотного обмена хвои сосны, загрязняемой промышленными эмиссиями 138
5.3. Оценка жизненного состояния древостоев сосны на обследованной территории 145
ГЛАВА 6. ЭКОЛОГО-ФИТОТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ БАССЕЙНА Р. СЕЛЕНГИ
6.1. Методологический и методическим подходы к построению эколого-фитотоксикологических карт на разные участки Байкальской природной территории 151
6.2. Картографирование территории бассейна р. Селенги по уровню и характеру загрязнения древостоев сосны 154
6.3. Картографирование территории бассейна р. Селенги по жизненному состоянию древостоев сосны 161
ВЫВОДЫ 166
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 168
ПРИЛОЖЕНИЕ
- ВЛИЯНИЕ АЭРОПРОМВЫБРОСОБ НА ЛЕСНЫЕ ЭКОСИТЕМЫ (обзор литературы)
- Геологическое строение
- Фоновое содержание химических элементов в хвое сосны
Введение к работе
Актуальності, работы. В сохранении экологического равновесия в бассейне оз. Байкал особая роль принадлежит лесам, занимающим около 72% всей площади водосборного бассейна и выполняющим важнейшие водоохранные, водорегулирующие и почвозащитные функции. В настоящее время среди многочисленных стрессовых факторов, действующих на леса, на первый план все чаще выходит атмосферное загрязнение, особенно опасное для хвойных древо-стоев, доминирующих в регионе. Считается, что хвойные породы по чувствительности к атмосферным токсикантам близки ко мхам и лишайникам (Гудери-ан, 1979), поэтому оценка их жизненного состояния может рассматриваться как-важный аспект индикации среды обитания человека.
Процесс деградации лесных экосистем под влиянием атмосферного загрязнения сложен и многообразен и, как правило, уже не имеет локального характера, а охватывает крупные регионы (Плешанов, Михайлова, 1998; Михайлова, 2003). Одним из таких регионов является Байкальская природная территория (БПТ), включающая, в том числе и Республику Бурятия. В соответствии с законом «Об охране оз. Байкал» (Природоохранное..., 2002), на БПТ выделены три экологические зоны: центральная, буферная и зона атмосферного влияния. При этом участки с неблагополучной экологической обстаЕговкой, вызванной воздействием токсических эмиссий местных промышленных агломераций, локальных источников и трансрегионального переноса поллютантов, отмечаются во всех трех экологических зонах.
Наряду с довольно хорошей изученностью состояния лесов в южной части центральной зоны и зоны атмосферного влияния БПТ (Михайлова, 2003), работ, связанных с воздействием аэропромвыбросов на леса буферной зоны, практически не проводилось. Вследствие этого, исследование лесов бассейна р. Селенги (Забайкалье), территория которого входит в буферную зону БПТ и на которой размещены промышленные узлы Республики Бурятия, является акту-
5 алыюй научной задачей, отвечающей практическим запросам природопользования и охраны окружающей среды.
Цель работы — изучение влияния атмосферных выбросов промузлов Республики Бурятия на элементный состав хвои и морфофизиологнческие показатели деревьев сосны обыкновенной и оценка уровня загрязнения и жизненного состояния сосновых лесов бассейна р. Селенги.
Для достижения цели были определены следующие задачи:
Выделить репрезентативные ключевые участки (пробные площади) для обследования лесов с учетом расположения источников загрязнения и природных особенностей территории бассейна р. Селенги.
Определить фоновые концентрации химических элементов в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в условиях Забайкалья.
Выявить уровни накопления элементов-загрязнителей и содержание элементов-бнофилов в хвое сосны при воздействии аэропромвыбросов.
Определить визуальные и морфометрические параметры деревьев сосны на выделенных пробных площадях.
Оценить жизненное состояние древостоев сосны по морфофизиологи-ческим показателям.
Провести картографирование обследованной территории по уровню и характеру загрязнения, а также по жизненному состоянию древостоев сосны.
Научная нопизнп. Впервые на водосборной территории оз. Байкал (в пределах бассейна р. Селенги) дана оценка состояния лесных экосистем по комплексу морфофизиологических показателей деревьев и изменению элементного состава хвои сосны обыкновенной под влиянием атмосферного промышленного загрязнения. Определены фоновые концентрации 16 химических элементов в хвое сосны для условий Забайкалья. Составлены ряды накопления химических элементов в хвое сосны в условиях промышленного загрязнения, отражающие уровень токсической нагрузки на древостой и специфику выбросов разных промузлов. Проведено ранжирование древостоев по степени их ослабления и уровню загрязнения техногенными эмиссиями. Выявлены регио-
6 нальные особенности зафязнения обследованной территории, которые заключаются в отсутствии выраженного слияния выбросов отдельных промузлов 11 образования общего трансрепюнального поля загрязнения.
Практическая значимость. Разработанные на основании полученных результатов карты-схемы загрязнения и жизненного состояния соснопых лесов Забайкалья существенно восполняют недостающие данные о состоянии лесов водосборного бассейна оз. Байкал. Эти материалы необходимы также для создания комплексной эколого-фитотоксикологической карты всей БПТ. Карты имеют информационно-оценочный характер и могут быть использованы административными и хозяйственными органами для принятия управленческих решений по основным направлениям экологической деятельности. Создание таких карт может рассматриваться как эффективная технологическая основа устойчивого управления лесами, включающая мероприятия, направленные на оптимизацию лесного фонда Байкальского региона. Результаты исследований использованы при выполнении гранта РФФИ-Байкал (Лг« 0.S-04-97219).
Защищаемые положения.
Для фоновых территорий обследованного региона характерно относительно стабильное содержание химических элементов в хвое сосны обыкновенной, которое может служить основным критерием при оценке степени техногенного зафязнения лесов.
При крупномасштабных исследованиях наиболее информативными параметрами, отражающими жизненное состояние деревьев, являются соотношение белковой и небелковой фракций азота в хвое и уровень дефолиации крон, обнаруживающие наиболее тесные корреляционные связи с накоплением элементов-токсикантов.
Па водосборной территории оз. Байкал в пределах Республики Бурятия в современный период выделяются отдельные поля загрязнения аэропромвыб-росами основных промышленных центров, слияния техногенных эмиссий не наблюдается.
Апроипщш работы. Результаты исследований доложены на ряде международных, всероссийских и региональных конференций, в том числе: «Закон Российской Федерации «Об охране оз. Байкал» как фактор устойчивого развития Байкальского региона» (Иркутск, 2003); «Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар, 2003); «Science for watershed conservation: multidisciplinary approaches for natural resource management» (Ulan-Ude, 2004); «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (Красноярск, 2004); «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2004); «Plant responses to air pollution and global changes from molecular biology to plant production and ecosystem (Tsukuba, Japan, 2004); «Биология - наука XXI века» (Пущнно, 2005); «Актуальные проблемы геохимической экологии» (Семипалатинск, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц и Н5 рисунков. Список литературы включает 227 отечественных и 29 иностранных источников.
Автор выражает глубокую признательность и приносит искреннюю благодарность научным руководителям д.б.н. Т.А. Михайловой и д.б.н. В.К. Кашину за многостороннюю помощь при подготовке диссертационной работы. Автор также благодарен чл.-корр. В.М. Корсунову и д.б.н. А.С. Плешанову за организацию совместных научно-практических и полевых исследований. Особую благодарность выражаю Н.С. Бережной за помощь при проведении полевых и химико-аналитических работ, а также коллективу лаборатории экологии и географии почв ИОЭБ СО РАН (г. Улан-Удэ) за помощь и практические советы при проведении исследований.
Влияние аэропромвыбрособ на лесные экоситемы (обзор литературы)
На пороге третьего тысячелетия человечество осознало реальность возможного перехода за грань устойчивого функционирования биосферы. Имеющиеся научные сведения говорят о том, что загрязнение промышленными эмиссиями воздуха, водных источников, почвенного и растительного покрова породило угрозу локальных, региональных и глобальных экологических кризисов, наносит огромный ущерб природе и создает серьезную проблему на пути дальнейшего экономического и социального развития человечества (Forest..., 1984; Черненькова, 2002; Швиденко и др., 2003).
В сложившейся ситуации роль лесов как стабилизаторов природной среды трудно переоценить. Являясь одной из важнейших частей биосферы, они выполняют климато- и водорегулирующие, противоэрозионные, санитарно-гигиенические, рекреационные и другие экологически значимые функции. Состояние лесов - высокоииформатиппый интегральный показатель, адекватно отражающий неблагополучие экологической ситуации, вызванное воздействием целого ряда природных и антропогенных факторов, в том числе насекомых-вредителей, грибных эпифитотий, длительных периодов засухи, рекреационной нагрузки, техногенных выбросов. Основным критерием, определяющим степень негативного влияния на лесную экосистему, служит изменение состояния се главного компонента - древесного яруса, или древостоя (Михайлова, 2003).
Среди многочисленных стрессовых факторов, действующих на леса и вызывающих нарушение их средообразующих и средозащитных функций, на первый план все чаще выходит атмосферное промышленное загрязнение (Tyler, 1984; Лесные..., 1990; Лукина, Никонов, 1996; Техногенное..., 1996; Михайлова, 2003). Основными источниками атмосферных выбросов токсических соединений являются теплоэнергетика, промышленные предприятия и автотранспорт. При этом наиболее значительны выбросы предприятий с высокотемпературными (более 1000С) технологическими процессами, которые имеют место в металлургическом производстве, сжигании мазута, нефти, каменного и бурого угля (Хорват, 1990; Кашулина, 2002; Черненькова, 2002). К наиболее распространенным ЗВ, представляющим опасность в силу высокой токсичности их избыточных количеств, относятся оксиды серы, азота, а также обусловленные ими кислые осадки, соединения фтора, хлора, тяжелые металлы (ТМ) (табл. 1.1).
Уровень загрязнения воздуха зависит, с одной стороны, от объема поступающих транспортно-промышленных выбросов в единицу времени и интенсивности рассеивания, а с другой - от скорости удаления их из атмосферы с помощью естественных факторов, то есть метеорологической обстановки. Значительную роль в распространении и рассеивании аэропромвыбросов имеет температурная стратификация атмосферы, определяющая вертикальное распространение потоков ЗВ, а также направление и скорость ветра, обусловливающие их горизонтальный перенос. Образование повышенной загрязненности приземного слоя воздуха происходит при штиле, длительной температурной инверсии, низкой облачности и тумане (Илькун, 1978; Лесные..., 1990).
Большое значение в распространении промышленных выбросов имеет высота труб. Так на большинстве промышленных предприятий выбросы осуществляются через высокие трубы (200-300 м), поэтому отработанные газы выбрасываются на большую высоту (выше области инверсии) и рассеиваются на значительные расстояния (40-1000 км). Выбросы мелких бытовых топливных установок (печное отопление в домах, мелкие котельные) осуществляются из низких дымовых труб, что приводит к скоплению их у поверхности земли и слабому рассеиванию, особенно в зимний период при штилях (Влияние..., 1981; Оттар и др., 1988; Рассеянные..., 2004). Важную роль в распространении выбросов играет рельеф местности: возвышенности и глубокие долины, находящиеся на пути движения воздушных масс, препятствуют рассеиванию пол-лгатантов, способствуя их скоплению.
Геологическое строение
Забайкалье - один из древнейших участков суши в пределах нашей страны, переживший сложный цикл геологического развития. В его геологическом строении принимают участие архейские, протерозойские, палеозойские, мезозойские и кайнозойские изверженные магматические, метаморфические и осадочные породы разного литологпческого состава. Большую часть территории слагают архейские и протерозойские магматические горные породы: граниты, гранито-гнейсы, гранодиориты, диориты, базальты, причем преобладают породы гранитной группы, которые при выветривании, главным образом физическом, распадаются на отдельные глыбы, куски и щебенку. Склоны хребтов Селенги некого среднегорья сложены молодыми отложениями мезозойского возраста - в основном дислоцированными вулканогешю-осадочными толщами.
Межгорные впадины располагаются в толще континентальных отложений мощностью в несколько сот метров. Особенно широко представлен комплекс мезозойских отложений, состоящий из средне-верхнеюрских и нижнемеловых пород, преимущественно конгломератов, гравелитов, песчаников. Третичные отложения кайнозоя встречаются на небольших площадях, приуроченных к бортам и днищам древних долин. Они представлены рыхлыми грубооб-ломочными породами - конгломератами, красноцветными песками, супесями и галечниками. Отложения четвертичного возраста почти повсеместно перекрывают коренные породы. Они приурочены к древним и современным речным долинам, их террасам и представлены главным образом песками, супесями, суглинками, лессовидными отложениями, галечниками, щебнем, изредка встречаются базальты. Элювиальные образования характерны для водораздельных пространств. Делювиальные и пролювиальные отложения развиты на склонах гор и у их подножий. Аллювиальные отложения широко распространены по всем речным долинам, слагая низкие надпойменные террасы р. Селенги, Уды, Чи коя, Хилка и др.
Современную орографическую основу рассматриваемой территории образуют две крупные, разнообразные по геоморфологическому строению области: Пояс высоких гор (выше 1200 м, Саяно-Байкальское Становое нагорье) и Забайкальские средние горы и плоскогорья (800-1200 м, Селенгпнекое средне-горье). Саяно-Байкальское Становое нагорье в районе исследований представлено грядой гор Прибайкалья (хр. Хамар-Дабан и Улан-Бургасы). Хребет Хамар-Дабан (2000-2300 м) протягивается от западной оконечности оз. Байкал до нижнего течения р. Селенги в восток- северо-восточном направлении. Его продолжением к северу от р. Селенги служит менее высокий хр. Улан-Бургасы (1700 м). Хребты Прибайкалья нигде не достигают высоты снеговой линии, имеют сравнительно мягкие очертания и плоские вершины. Лишь в наиболее высоких участках хр. Хамар-Дабан встречаются массивы с резкими альпийскими формами рельефа. Эти хребты обрамляют внутригорные впадины байкальского типа - Тункинскую, Баргузннскую, днища которых приподняты на 460-700 м над уровнем моря. В котловинах хорошо выражены широкие шлейфы с полосами предгорных холмов и равнинные пространства впадин, которые постепенно спускаются к террасам речных долин. Котловины заполнены рыхлыми отложениями, накопление которых происходило в условиях непрерывного прогибания днищ впадин, в связи с чем реки имеют хорошо развитые поймы.
Фоновое содержание химических элементов в хвое сосны
Современную орографическую основу рассматриваемой территории образуют две крупные, разнообразные по геоморфологическому строению области: Пояс высоких гор (выше 1200 м, Саяно-Байкальское Становое нагорье) и Забайкальские средние горы и плоскогорья (800-1200 м, Селенгпнекое средне-горье). Саяно-Байкальское Становое нагорье в районе исследований представлено грядой гор Прибайкалья (хр. Хамар-Дабан и Улан-Бургасы). Хребет Хамар-Дабан (2000-2300 м) протягивается от западной оконечности оз. Байкал до нижнего течения р. Селенги в восток- северо-восточном направлении. Его продолжением к северу от р. Селенги служит менее высокий хр. Улан-Бургасы (1700 м). Хребты Прибайкалья нигде не достигают высоты снеговой линии, имеют сравнительно мягкие очертания и плоские вершины. Лишь в наиболее высоких участках хр. Хамар-Дабан встречаются массивы с резкими альпийскими формами рельефа. Эти хребты обрамляют внутригорные впадины байкальского типа - Тункинскую, Баргузннскую, днища которых приподняты на 460-700 м над уровнем моря. В котловинах хорошо выражены широкие шлейфы с полосами предгорных холмов и равнинные пространства впадин, которые постепенно спускаются к террасам речных долин. Котловины заполнены рыхлыми отложениями, накопление которых происходило в условиях непрерывного прогибания днищ впадин, в связи с чем реки имеют хорошо развитые поймы.
Селенгинское среднегорье охватывает среднюю часть бассейна р. Селенги, от границ с Монгольской Народной Республикой - на юге до южных склонов хребтов Хамар-Дабан и Улан-Бургасы - на северо-западе и севере. Для рельефа характерно множество открытых, замкнутых и полузамкнутых впадин забайкальского типа, чередующихся с довольно однообразными по высоте (1000-1300 м) обширными плосковершшшыми хребтами, вытянутыми с запада-юго-запада на восток-северо-восток. В пределах Селенгинского среднегорья с юга на север простирается ряд основных хребтов: Джидинский, Малханский, Заганский, Цаган-Дабан и Худанский (Мухар-Тала). Помимо того, здесь имеется ряд менее крупных хребтов - Боргойский, Тугнуйскнй, Ганзуринский и др. Главные межгорные понижения среднегорья: Удинское, Гусиноозерское, Куду-но-Кижингинское, Тугнуйское, Бичурское, Чикойское, Боргойское. Впадины располагаются между среднегорными хребтами, у подножия которых находятся сглаженные холмисто-увалистые возвышенности. По днищам их протекают реки, имеющие, как правило, слаборазвитые поймы.
Орографическое строение территории выступает важным звеном, предопределяющим интенсивность техногенного загрязнения и самоочищения окру 25 жаіощей среды. В Восточной Сибири, в частности в Забайкалье, в условиях горно-котловишюго рельефа, создаются наименее благоприятные условия для рассеивания индустриальных выбросов, поскольку города и промышленные комплексы располагаются среди гор, которые ограничивают обмен масс воздуха. Крайне низкие потенциалы самоочищения атмосферы характерны для узких горно-таежных долин рек, где происходит застаивание воздушных масс, способствующее концентрации ЗВ в приземном слое (Белоголовой, 1989; Никифоров, 1999; Трофимова, 2004).
