Введение к работе
Актуальность темы определяется необходимостью поддержания эколого-ресурсных функций лесных биогеоценозов и состояния их жизнеспособности на максимально возможном уровне, достижимом лишь на основе глубокого познания механизмов их функционирования и, в частности, вскрытия закономерностей протекания в них биологического круговорота химических элементов. Данные по фоновому содержанию элементов в почвах и растениях, а также границах их вариабельности под действием факторов внешней среды, могут быть использованы также при ведении экологического мониторинга.
Несмотря на то, что эта проблема давно находится в поле зрения исследователей и многие фундаментальные заключения уже сделаны, в ней остаются пока слабо освещенными региональные особенности протекания биологического круговорота в лесных биогеоценозах, во многом зависящего от условий среды. Недостаточно изученным является также вопрос о влиянии загрязнения окружающей среды на распределение химических элементов в различных компонентах лесных биогеоценозов. Практически не изучены в этом плане сосновые биогеоценозы Марийского Заволжья и выполненные нами работы, которые проведены в рамках госзадания ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» по теме «Закономерности распределения химических элементов и загрязняющих веществ в ландшафтах Среднего Поволжья», во многом являются пионерными.
Целью исследований является выявление региональных закономерностей распределения зольных элементов в различных компонентах сосновых биогеоценозов, произрастающих в жестких и диаметрально противоположных по увлажнению лесорастительных условиях (в сухих и заболоченных борах), типичных для Республики Марий Эл, а также оценка их изменений под влиянием загрязнения среды выбросами завода силикатного кирпича.
Для ее реализации были поставлены следующие задачи:
-
обобщить литературные материалы по теме диссертации;
-
провести натурную оценку структурной организации древостоев на пробных площадях в сосняках лишайниково-мшистых и сфагновых;
-
оценить зольный состав различных компонентов ненарушенных сосновых биогеоценозов (почве, подстилке, подпологовой растительности, древостое) и частях деревьев (хвое, коре и древесине), установить степень его вариабельности и средний фоновый уровень в каждом из изученных типов лесорастительных условий;
-
изучить характер воздействия аэральных выбросов завода силикатного кирпича на изменение зольного состава различных компонентов соснового биогеоценоза и частей деревьев сосны;
-
выявить закономерности распределения в сосновых биогеоценозах сухих и заболоченных боров массы зольных элементов и оценить степень потребности в них деревьев.
Методы исследования: натурная оценка состояния древостоев на пробных площадях, химический лабораторный анализ содержания зольных элементов, статистическая обработка полученных данных.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Ранговые ряды и вариабельность содержания зольных элементов в различных компонентах биогеоценозов и частях растений, региональный фоновый уровень для сосновых биогеоценозов в сухих и заболоченных борах Республики Марий Эл.
-
Характер изменения зольного состава различных компонентов соснового биогеоценоза под воздействием выбросов завода силикатного кирпича выраженный в форме математических моделей.
-
Закономерности распределения в сосновых биогеоценозах массы главнейших зольных элементов и оценка потребности в них деревьев.
Научная новизна работы. Впервые для условий Республики Марий Эл и Среднего Поволжья в целом установлены закономерности распределения содержания зольных элементов в различных компонентах сосновых биогеоценозов сухих и заболоченных боров, оценено воздействие аэральных выбросов завода силикатного кирпича на зольный состав лесной подстилки, почвы, древесины, коры и хвои сосны, дана количественная характеристика биологического поглощения катионов металлов в системе «почва-растение» и определена потребность в них деревьев. Так, к примеру, установлено, что основные запасы зольных элементов содержатся в подстилке и верхнем слое почвы, однако каждый тип леса имеет некоторые особенности: в сосняках лишайниково-мшистых лидером среди зольных элементов является железо, а в сосняках сфагновых - кальций. В сосняках сфагновых железо занимает вторую ранговую позицию и его масса в 8 раз меньше, чем в сосняках лишайниково-мшистых. Значительно меньше в сосняках сфагновых и масса остальных зольных элементов, которые сосредоточены в основном в торфе. Древостой сосны наиболее остро нуждаются в Са и К, запасы которых в песчаных почвах Марийского Заволжья малы. Нужды в остальных зольных элементах древостой не испытывает, поскольку содержание их в почве достаточно велико, а потребление деревьями крайне мало. Вынос древесными растениями большинства минеральных веществ из поч-
вы невелик и может полностью восполняться за счет атмосферных осадков и аэральных выпадений пыли. Лесная подстилка в сосняках лишайниково-мшистых является мощным геохимическим барьером биологического круговорота веществ.
Практическое значение исследований заключается в установлении регионального фонового уровня содержания катионов металлов в различных компонентах сосновых биогеоценозов в сухих и заболоченных борах, оценке воздействия на него аэральных выбросов завода силикатного кирпича, а также в выделении индикаторов, которые могут быть использованы в системе экологического мониторинга и оценке потребности деревьев в элементах зольного питания. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Лесоведение», «Экология», «Геоэкология», «Мониторинг окружающей среды», а также при разработке системы мероприятий по повышению эколого-ресурсных функций сосновых лесов путем направленного регулирования в них круговорота химических элементов.
Обоснованность выводов и достоверность результатов исследований обеспечивается представительностью и репрезентативностью фактического материала, собранного и обработанного с использованием стандартных методов лесоведения, биогеоценологии, химического анализа и математической статистики.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его программы, сборе, обработке и анализе исходного материала, написании научных статей и текста диссертации, формулирование выводов и основных положений, выносимых на защиту.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на региональных, всероссийских и международных научно-практических конференциях: «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адаптационные технологии» (Йошкар-Ола, 2010), «Лес-2012» (Брянск, 2012), «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Йошкар-Ола, 2012), «Болотные экосистемы: фундаментальные аспекты охраны и рационального природопользования» (Йошкар-Ола, 2012), «Роль и задачи особо охраняемых природных территорий в современной России» (Йошкар-Ола, 2013), а также на ежегодных внутривузов-ских научных конференциях и заседаниях кафедры экологии, почвоведения и природопользования ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет».
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 13 научных работах, четыре из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 198 источников, в том числе 22 иностранных авторов. Работа изложена на 197 стр. машинописного текста, включает 107 таблиц и 40 рисунков.
Благодарности. Выражаю сердечную благодарность зав. кафедрой химии ПГТУ, д-ру биологических наук, профессору Р. И. Винокуровой и инженеру кафедры В.И. Таланцеву, оказавшим большую помощь в освоении методики проведения химического анализа. Большую помощь в сборе и обработке полевого материала мне оказали также канд. биологических наук М.И. Майшанова, к.б.н. М.Г. Сафин, канд. с.-х. наук А.В. Исаев и к.б.н. И.И. Митякова. Особую благодарность выражаю своему научному руководителю д.б.н., проф. Ю.П. Демакову за ценные советы и практическую помощь в написании диссертационной работы.
