Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Особенности воздействия горно-металлургических комбинатов на северо-таёжные ельники 9
Глава II. Объекты и методы исследования 31
Глава III. Влияние промышленных эмиссий на древесный ярус ельников-черничников 47
3.1. Деградация еловых древостоев 47
3.2. Прогноз разрушения еловых древостоев 71 вследствие промышленного загрязнения
3.3. Заключение (к гл. III) 76
Глава ІV. Влияние промышленного загрязнения на другие структурные компоненты еловых фитоценозов 78
4.1. Ярус подлеска и подроста 78
4.2. Травяно-кустарничковый ярус 88
4.3. Мохово-лишайниковый ярус IOI
4.4. Напочвенный покров 107
4.5. Заключение (к гл. ІУ) III
Глава V. Техногенная дигрессия северо-таёжных еловых фитоценозов 112
ВЫВОДЫ 124
ПРИЛОЖЕНИЕ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 143
- Особенности воздействия горно-металлургических комбинатов на северо-таёжные ельники
- Объекты и методы исследования
- Деградация еловых древостоев
- Ярус подлеска и подроста
- Техногенная дигрессия северо-таёжных еловых фитоценозов
Введение к работе
Усиление воздействия человека на окружающую среду - неизбежное следствие развития человеческого общества и научно-технического прогресса. Загрязнение окружающей среды в настоящее время приобретает глобальный характер. Воздействие человека на природу достигает допустимых нагрузок в целом по планете, а в ряде мест давно их уже превысило, что привело к разрушению и деградации природных комплексов. Экономический ущерб от загрязнения окружающей среды в развитых капиталистических странах достигает огромных размеров. Так, в Японии поддающийся исчислению размер ущерба на 1970 год составляет Ъ% валового национального продукта, во Франции - 4-5$, в США - 2>%.
В отличие от стран капитала, в социалистических странах природоохранная деятельность - партийное, государственное и общенародное дело. В СССР охрана среды и рациональное использование природных ресурсов рассматривается как одно из главных направлений социально-экономического развития страны. С 1976 года природоохранные мероприятия планируются в рамках годовых и пятилетних планов развития народного хозяйства, введена отчетность по этим вопросам, создана система контроля за уровнем и источниками загрязнения. Общий объем затрат на охрану природы в истекшую пятилетку составил 26 млд. рублей. Главная задача текущей, одиннадцатой пятилетки, сформулированная ХХУІ съездом КПСС, состоит в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прог- ресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы.
Одной из составляющих общего успеха нашей экономики на современном этапе является повышение эффективности использования природных ресурсов и сохранение качества окружающей среды.
Крайний Север и районы, приравненные к нему, занимают 50% территории СССР. На этой площади сосредоточено от 80 до 100% полезных ископаемых, использование которых необходимо для дальнейшего развития нашего народного хозяйства, и проживает около 3% населения страны.
Развитие промышленности - это главное направление в освоении Севера на ближайшее время и в далекой перспективе. В то же время, экосистемы Крайнего Севера крайне уязвимы: количество вещества и энергии, вовлекаемое в природный круговорот в северных экосистемах, невелико и сопоставимо с массой вещества и энергией, используемой человеком. В промышленных центрах Севера количество вещества и энергии, циркулирующее на единице площади в единицу времени, намного больше, чем в природных системах (Крючков, 1979).
Освоение Крайнего Севера во многом связано с наличием полезных ископаемых и их разработкой. Сегодня значительная доля использования полезных ископаемых приходится на Мурманскую область, наиболее индустриализированную и развитую среди всех районов Крайнего Севера. В Мурманской области находится значительная часть общесоюзных запасов апатита и нефелина, почти все запасы кианитов в СССР, добывается флогопит и вермикулит, железная руда, пегматит. Мурманская область дает самые дешевые в стране никель и медь. Разработка многих месторождений ведется открытым способом.
Развитая и многоотраслевая промышленность Мурманской области является основным и главным источником загрязнения экосистем. Наблюдения за растительностью и другими компонентами природы вокруг промышленно-индустриальных центров свидетельствуют о том, что загрязнение сказывается в десятках и даже сотнях километров, а очаги-загрязнения отдельных источников слились в один сплошной очаг по всей области.
Актуальность исследования. Среди потерь, наносимых промышленным загрязнением, - повреждение особо ценных территорий, выделенных как эталоны природы. В Мурманской области это, прежде всего, относится к Лапландскому заповеднику. В настоящее время в результате промышленного загрязнения под угрозой уничтожения цель и смысл заповедника - сохранение и изучение природных комплексов северной тайги и горных тундр Кольского полуострова. Значительные трудности для Лапландского заповедника вызывали отсутствие данных масштаба загрязнения территории, характер и возможные последствия нарушения растительности и животного мира, а также недостаточность обоснования по расширению территории заповедника в Западном направлении вследствие загрязнения Восточной его части. Важность сохранения всего комплекса экологических условий заповедника вызывает необходимость в изучении процессов техногенной дигрессии растительных сообществ и ее прогнозировании.
Недостаточность исследований в настоящее время в этом направлении обусловила изучение влияния загрязнений на отдельные компоненты экосистем северной тайги.
Цель и задачи исследования.Цель настоящей работы состояла в изучении: влияния промышленных эмиссий металургического КОМбИг-ната "Североникель" на структуру еловых фитоценазов заповедника и прилегающих территорий, устойчивость различных компонентов и. в прогнозе этого влияния на отдельные компоненты и фитоценоз в целом. Исходя из этого, в задачи исследования входило: -отработка методики оценки повреждения фитоценозов и отдельных компонентов; -выявление масштабов и степени поражения на территории заповедника и его охранной зоны; -создание сети стационаров для долгосрочных наблюдений за изменением структуры еловых фитоценозов; -изучение характера техногенной дигрессии еловых фитоценозов; -разработка методов прогнозирования и прогноз влияния промышленного загрязнения на еловые: фитоценозы Лапландского заповедника.
Научная новизна. На структурно-экологической основе проведен анализ характера разрушения еловых фитоценозов северной тайги Кольского полуострова. На основе предложенного индекса состояния древостоя рассмотрена техногенная дигрессия основных ярусов еловых фитоценозов и наступление в них критических моментов. Составлена шкала состояния древостоев и еловых фитоценозов. Рассмотрено изменение индекса состояния во времени и предложен метод прозноза состояния до момента гибели _ 7 - древостоя. С помощью матриц экологических переходов прослежен переход в древостое деревьев из одного состояния в другое и предложен метод прогноза по этим переходам.
На основе энтропийного показателя Шеннона-Винера прослежена дифференциация деревьев в древостое по их жизненности.
Практическим значением работы явилось обоснование расширения территории Лапландского заповедника в связи с загрязкени его территории промышленными выбросами комбината "Северони-кель". Используя индекс состояния древостоев, была составлена схема санитарного состояния лесов Лапландского заповедника, в масштабе 1:50000. Предлагаемый метод оценки санитарного состояния с помощью индекса состояния древостоя и разработанная шкала просты в употреблении и могут найти применение в лесном хозяйстве. Предлагаемые методы прогноза состояния древостоев могут быть применены при проектировании новых предприятий на Кольском полуострове и при оценке поражения лесной растительности вблизи точечных источников.
Основные положения диссертации, представляемые к защите, включают: описание закономерности дигрессии еловых фитоценозов Кольского полуострова под воздействием загрязнения горно-металлургического комбината;; методику оценки и прогнозирования состояния древостоев на основе оценки состояния отдельных деревьев и вычисления индекса состояния древостоев.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на IX симпозиуме "Биологические проблемы Севера" в 1981 году, на I советско-американском симпозиуме по проекту
02.03.21 в 1982 году, докладывались на отчётно-исследовательской конференции в 1981 году в ЛоЛЛТА им. С.М.Кирова и областных совещаниях работников лесного хозяйства Мурманской области в 1982 и 1983 годах.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 работы, 3 работы находятся в печати. В 1980 году экспозиция исследований была удостоена бронзовой медали ВДНХ СССР. Результаты исследований отражены в ежегодных отчётах Лапландского заповедника - "Летописях природы" за 1979, 1980, 1981, 1982 годы общим объёмом 7 усл. печ. листов.
Автор глубоко признателен В.А.Соловьёву за постоянное внимание к его работе, Ы.Я.Гашковой за помощь и содействие, а также сотрудникам кафедры общей экологии, анатомии и физиологии растений ЛоЛТА им. С.М.Кирова, лаборатории охраны природы Кольского филиала АН СССР и Лапландского государственного заповедника за деловую критику и доброжелательное отношение.
Особенности воздействия горно-металлургических комбинатов на северо-таёжные ельники
Выбросы в атмосферу, являясь продуктами сгорания топлива и несовершенства технологии переработки руд и нефти, включают в свой состав пылевидные и газообразные соединения (Томас, 1962; Молчанов, 1970; Илькун, 1971; Детри, 1973; Дажо, 1975; Бертокс, Радд, 1980; Рамад, 1981; Дочинжер, 1982). Анализ литературы показывает, что основными повреждающими агентами в дымовых отходах являются двуокись серы, фториды и озон. Известен ряд других атмосферных загрязнителей, но они имеют меньшее значение в силу их ограниченного распространения. К числу этой потенциально опасной категории относятся окислы азота, хлор, хлористый водород, аммиак и твердые частицы (Дочинжер, 1982).
Общее количество ежегодно выбрасываемой в тропосферу двуокиси серы оценивается в 145.І06 т (Яовгпзсп, Zoginsf\vjn$). Предполагается, что к 2000 году эмиссия Ог в результате деятельности человека возрастет до 355.I06 т. Основным источником двуокиси серы является промышленность. На долю промышленности в США приходится 22,2$, а в СССР - 55,9$ выбрасываемой двуокиси серы (Жукова и др., 1981). Ожидается, что в ближайшее время дальнейшее развитие промышленности вызовет еще большее загрязнение атмосферы. У нас в стране выбросы двуокиси серы к 1980 году возросли до 40.10 т в год (Мурзакаев, 1977). двуокись серы, испускаемая промышленными комплексами, считается одним из важнейших загрязнителей, вызывающих повреждения экосистем нашей планеты. Большой ущерб причиняет она лесным площадям в Северной Америке, Европе и Азии. Сильное повреждение лесов близ индустриальных районов отмечалось в Западной Германии ( Werttzel, 1968), Англии (&«z/ , I960), Франции (Sosscczry } 1965), США {&огоп. , &ob/Lccmt 1963), Чехословакии {М ыеАм, , 1963), СССР (Илюшин, 1953; Рябинин, 1965; Молчанов, 1970; Кулагин, 1974; йлькун, 1978; Антипов, 1979).
Объекты и методы исследования
Данная работа выполнена в лапландском заповеднике, который был организован более 50 лет назад (1930 г.) в период бурного освоения Кольского полуострова "... с целью сохранения природных комплексов северной тайги и горных тундр Мурманской области со всей характерной для них флорой и фауной, в первую очередь - диким северным оленем,.." (Семенов-Тян-Шанский, 1975), Территория его находится между 6788 и 6804 северной широты, севернее Полярного круга на II9-I67 км. Заповедник имеет, приблизительно, квадратную форму, со стороной квадрата 40 км, ориентированной по сторонам света.
Вся территория принадлежит бассейну озера Имандра, имеющему сток через реку Шву в Белое море . Основные горные массивы Мурманской области образуют прерывистую цепь, которая тянется от границы Финляндии в юго-восточном направлении. К этой цепи принадлежат и все горные тундры заповедника, северо-восточный угол заповедника занимает Монче-тундра (средняя высота - 800 метров над уровнем моря). Чуна-тундра вытянута с севера на юг на 40 километров и делит заповедник на две неравные части. Остальные тундры заповедника значительно ниже Чуна-тундры и Монче-тундры. Они имеют округлые очертания, поверхность их покрыта преимущественно ягельной и кустарничковой тундрой.
Деградация еловых древостоев
Древесный ярус перестойных ельников-черничников представлен тремя видами ели: Л" «. o6cva.toc Xsdeg., PaSies Xttzst., P. fen-nicoc (flecfcC) Жот., а также различными гибридными формами этих видов. Соотношение особей с преобладанием признаков T.oSovatoc к особям с признаками не более 1-2 единиц в составе древостоя. Лиственная часть еловых древостоев представлена betiv&t sitea,i.ti&ot, О гЛогга, 7 единично встречаются древовидные ивы.
Характерной особенностью ельников зеленомошной группы является их редкостойкость, очевидно, обуславливаемая корневой конкуренцией между деревьями. Из-за сильных ветров кроны имеют колоннообразную форму, не превышающую в основании 3 метров и почти всегда доходящую до земли. По сложению - кроны густые, однако верхняя треть кроны деревьев первого яруса значительно изрежена» а в фитоценозах, приуроченных к вершинам холмов и горных тундр, возможны обломы вершин деревьев (до 35$) сильными ветрами,, направленными вдоль горных долин. Эдифинирующая синузия ели имеет низкую скорость и невысокие темпы накопления запасов древесины. Семенное размножение возможно лишь раз в 7-ГО лет, значительную роль играет вегетативное размножение путем зарастания нижних боковых побегов. Древесный ярус в вертикальном направлении, как правило, дифференцирован по двум поколениям, а в пределах одновозрастных генераций - по классам Крафта и категориям состояния.
Категории жизненности деревьев, или категории состояния (гл.П) являются хорошим индикатором экологического состояния деревьев. Изменяясь,- они показывают отношение дерева к эдафо-топу и климатопу, а также к межвидовой и внутривидовой конкуренции. Нами рассмотрено изменение распределения деревьев по категориям состояния в древостоях во время вторичной сукцессии в естественных условиях (в отсутствие загрязнения), происшедшее вследствие пирогеиного фактора. Данные распределения деревьев получены на пробных площадях, заложенных в идентичных условиях местопроизрастания в соответствии с процессом пироген-ной сукцессии ельников, описанным в Лапландском заповеднике Н.М.Пушкиной (I960). Как видно из рис.5, распределение деревьев по категориям состояния в процессе сукцессии меняется.
Ярус подлеска и подроста
Ярус подлеска и подроста исследуемых ельников,, как правило, хорошо выражен, но развит слабо. В этот ярус нами включались кустарники подлеска, а также подрост лесообразующихп _ пород не достигший высоты 4,0 метров, поскольку подрост лесообра-зующих пород занимает то же местоположение и испытывает на себе те же воздействия, что и кустарники подлеска. Видовой состав этого яруса несколько богаче яруса деревьев» Подлесоч-ные породы представлены двумя-четырьмя видами: можжевельником сибирским {SbLn-iperbvus sieiziaoc Btzigs .), рябиной Городкова ( Sazebts с оі &огг; ftpjcciA. ), а также примесью ивы двух--трёх видов. Растения яруса находятся в сильной зависимости как от растений древесного яруса, так и от растений нижележащих ярусов. Это определяет его сильную угнетённость. Ярус подлеска и подроста имеет, очень низкую сомкнутость поло.га-0,:04--4),06, почти не влияющую на световой режим нижележащих ярусов,, Естественное возобновление с количеством, подроста от 500 до 2000 шт/га рассматривается по соответствующим шкалам оценки естественного возобновления как плохое. Даже в годы наиболее обильного урожая, которые случаются раз в 6-7 лет, на один квадратный метр площади попадает 10-15 полноценных семян. Это создаёт крайне неудовлетворительные условия для естественного возобновления. Подрост перестойных ельников,как правило, PS разновозрастный, крупномерный (табл.II, Ш 355, 357, 385). Почти во всех случаях у берёзы преобладает вегетативное размножение корневой порослью, у ели наблюдается укоренение нижних боковых побегов у 18$ особей (по Некрасовой, 1955,-15$). Слабое развитие яруса подлеска и подроста в северотаёжных еловых фитоценозах представляет значительные трудности для исследования процессов, происходящих при техногенной дигрессии. Критерии, применяемые для эдификатора фитоценоза- древостоя, для оценки состояния яруса не пригодны. Выражение состояния через индекс, подобный J , нецелесообразно, вследствие сильного угнетения, разновозрастности деревьев, подроста и кустарников подлеска, а также низкой сомкнутости полога. Учитывая эти особенности яруса подлеска и подроста, характеристика его состояния производилась нами не по одному, а по трём показателям: по общей численности подроста на I га, по встречаемости молодого хвойного подроста высотой до 0,6 м и по распределению хвойного подроста по возрастным группам.
Техногенная дигрессия северо-таёжных еловых фитоценозов
Полученные нами представления о дигрессии еловых фитоце-нозов показаны на рис.24. Естественные ельники-черничники Кольского полуострова - это, в основном, спелые и перестойные, достигшие предклимаксового состояния леса. В силу сукцессион-ных и возрастных особенностей они имеют древостой ослабленной жизненности с J от 1,50 до 2,55. В этих древостоях продолжается дифференциация древостоев по состоянию деревьев. Явление это охватывает небольшой процент особей в древостое (порядка 4-5% деревьев).
Ельники-черничники представляют собой полночленные четырехъярусные фитоценозы с хорошо развитым напочвенным покровом. Ярусом-эдификатором всего лесного сообщества является древостой. Типичные древостой ельников-черничников имеют смешанный состав с участием березы и сосны до 2-3 единиц. Чистые ельники встречаются значительно реже и характеризуются большей полнотой и сомкнутостью древостоя. Производительность ельников невелика, запас стволовой древесины порядка 60-90 м8 на I га
