Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объекты и методы исследований 9
1.1. Общая характеристика района исследований 9
1.2. Характеристика источников загрязнений 13
1.3. Программа работ 15
1.4. Методы исследований 16
1.4.1. Методика лесоводственно-таксационного описания лесных насаждений 16
1.4.2. Физиолого-биохимические и биофизические методы изучения состояния древостоев 18
1.4.3. Использование статистических и геоинформационных компьютерных пакетов для анализа и обработки результатов 23
1.5. Объем выполненных работ 26
Глава 2. Влияние промышленных загрязнений на древесные растения и лесные экосистемы 29
2.1. Влияние аэропромвыбросов на древесные растения 30
2.2. Оценка состояния лесных экосистем 42
2.3. Оценка устойчивости лесных экосистем 48
Глава 3. Комплексная оценка состояния древостоев и экологическое зонирование лесов на территории первоуральско-ревдинского промышленного узла 59
3.1. Комплексная морфофизиологическая оценка состояния древостоев 59
3.2. Зонирование по морфофизиологическим характеристикам 70
3.3. Результаты экологического зонирования территории по содержанию тяжелых металлов в почве 77
Глава 4. Годичная динамика физиолого-биохимических и биофизических параметров хвои 87
4.1. Сезонно-возрастные изменения физиолого-биохимических и биофизических параметров хвои в условиях аэропром выбросов 87
4.2. Зависимость физиолого-биохимических и биофизических параметров хвои от метеорологических данных 106
4.3. Использование электрофизиологических характеристик тканей прикамбиального комплекса ствола при диагностике состояния сосновых древостоев 109
Глава 5. Использование метода создания комбинированного стресса при оценке устойчивости сосны обыкновенной к действию аэропромышленныхзагрязнений 118
Выводы 133
Литература 136
Приложение 156
- Методика лесоводственно-таксационного описания лесных насаждений
- Зонирование по морфофизиологическим характеристикам
- Зависимость физиолого-биохимических и биофизических параметров хвои от метеорологических данных
- Использование метода создания комбинированного стресса при оценке устойчивости сосны обыкновенной к действию аэропромышленныхзагрязнений
Введение к работе
Актуальность темы. При современном уровне развития технологии и техники загрязнение атмосферы аэропромвыбросами, несмотря на предпринимаемые усилия по снижению объема выбросов, еще продолжительное время будет неизбежным. Важное место в решении проблем зашиты лесов от вредного воздействия аэропромвыбросов занимает разработка методов оценки состояния и устойчивости древостоев, без которых невозможны установление масштабов поражения лесных экосистем и оптимизация лесохозяйственных мероприятий по снижению ущерба от антропогенных воздействий.
Цель и задачи исследований. Целью работы является изучение состояния искусственных сосновых молодняков, подверженных техногенному загрязнению предприятий Первоуральско-Ревдинского промышленного узла, и разработка критериев оценки их устойчивости.
Основными задачами исследований являлись:
-
Проведение комплексной лесоводственно-физиологической оценки состояния сосновых молодняков в районе исследований и сравнение ее результатов с данными предыдущих обследований.
-
Изучение сезонно-возрастной динамики изменений биохимических и биофизических параметров деревьев, расположенных в зонах с разным уровнем загрязнения.
3. Исследование возможности применения данных мониторинга
морфофизиологических характеристик для оценки устойчивости сосновых
древостоев.
4. Поиск критериев для оценки устойчивости древостоев к действию
загрязнений.
5.Изучение влияния дополнительного стрессового воздействия на состояние деревьев сосны.
Научная новизна заключается в следующих основных результатах исследований, полученных автором в ходе работы над диссертацией и выносимых на защиту:
-
Проведено повторное комплексное обследование сосновых молодняков в условиях техногенных загрязнений Первоуральско-Ревдинского промышленного узла, позволяющее оценить изменение состояния лесов за 5 лет.
-
Составлены карты-схемы состояния лесов района исследований по совокупности морфометрических и физиологических характеристик, а также по содержанию тяжелых металлов в почве. Анализ карт позволяет выявить основные источники негативного воздействия на древостой, масштабы поражения лесов и пространственно-временную динамику изменения состояния древостоев.
і яос. ПАЦноиллътл
І МММТекА
-
Изучена сезонно-возрастная динамика изменения физиологических параметров деревьев, расположенных в различных зонах воздействия аэропромышленных выбросов, на основании которых определены показатели, перспективные для использования в качестве критериев при оценке устойчивости древостоев к действию загрязнений.
-
На основе изучения влияния комбинированного стресса (окоре-ния) установлен набор физиологических характеристик деревьев, которые могут использоваться для дальнейшей разработки нового метода оценки состояния и устойчивости древостоев
Практическая ценность работы. Заложенные постоянные пробные площади на территории Первоуральско-Ревдинского промышленного узла и результаты комплексного обследования древостоев могут использоваться при реализации региональных экологических программ разных уровней, ведении локального мониторинга лесов и разработке рекомендаций по проведению лесохозяйственных мероприятий по снижению ущерба, наносимого загрязнениями лесам. Данные по сезонно-возрастной динамике физиологических и биофизических характеристик древостоев могут быть использованы в учебном процессе при преподавании курсов "экология" и "экотоксикология".
Апробация работы. Основные положения работы доложены на VIII и IX молодежных научных конференциях "Актуальные проблемы биологии и экологии" (Сыктывкар, 2001, 2002); французско-российском научном симпозиуме "Прикладная и антропогенная динамика лесных экосистем" (Екатеринбург, 2001); научно-технической конференции "Экологическая безопасность Урала", проводимой в рамках международной выставки "Уралэкология Техноген-2002" (Екатеринбург, 2002), молодежном семинаре "Проблемы изучения биоразнообразия" (Екатеринбург, 2002); научно-практической конференции в УрГПУ (Екатеринбург, 2002); научном молодежном симпозиуме "Безопасность биосферы-2001/02" (Екатеринбург, 2002); международном совещании "Биологическая рекультивация нарушенных земель" (Екатеринбург, 2002), научно-практическом семинаре "Проблемы совершенствования экономического механизма обеспечения экологической безопасности региона" (Екатеринбург, 2002); международной научно-технической конференции "Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса" (Екатеринбург, 2003); международной конференции "Физиология растений - основа фитобиотехнологии" (Пенза, 2003).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 научных работ.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения, изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 21 таблицу и 23 рисунка
Методика лесоводственно-таксационного описания лесных насаждений
При закладке ППП руководствовались действующим отраслевым стандартом "Пробные площади лесоустроительные. Метод закладки" (ОСТ 56-60-83) и методическими рекомендациями, изложенными в работе Огиевского В.В., Хирова А.А. (Огиевский, Хиров, 1974). Перед полевыми работами на основе анализа лесоустроительных материалов подбирались одновозрастные насаждения с господством материнского соснового древостоя. Было подобрано и заложено 15 ППП в искусственных насаждениях сосны обыкновенной, второго класса возраста. Пробные площади равномерно распределены по зонам с различным уровнем загрязнения, в соответствии с экологическим зонированием территории, которое описано в работе Фомина В.В. (Фомин, 1998). По одной 111II1 было заложено в зонах с плохим и очень плохим состоянием, шесть 111111 - с удовлетворительным и три - с хорошим состоянием, а также по одной ППП -на границах между зонами. Заложенные ППП представляют 9 типов лесорастительных условий и 9 типов леса, представляющие три близких группы типов леса по режиму увлажнения, свежие, периодически сухие, устойчиво свежие и свежие, периодически влажные (Лесорастительные условия..., 1973; Правила..., 1994). При закладке пробных площадей руководствовались следующими ограничениями: состав - чистые сосняки или смешанные с долевым участием сосны не менее 9 единиц; возраст древостоя - 21-40 лет; удаленность от автомобильных и железных дорог не менее 100 м; равномерное расположение 111111 по площади Первоуральско-Ревдинского промышленного узла. Размеры ППП устанавливали таким образом, чтобы на ней находилось не менее 300 деревьев сосны обыкновенной. Пробную площадь ограничивали в натуре с помощью угломерных инструментов визирами, а по углам закрепляли столбами. Для каждой ППП производили привязку к квартальной сети или четко опознаваемым натурным ориентирам. Была оформлена необходимая техническая документация в виде паспортов ППП (приложение 1). В последствие местонахождение ППП наносили на абрисы и другие картографические лесохозяйственные документы. При помощи топографической карты местности определили расстояние от источника выбросов до каждой ППП.
Типологическое описание ППП проводили согласно методическим указаниям В.Н. Сукачева (Сукачев и др., 1957; 1961). В соответствии с классификацией типов лесорастительных условий и типов леса Б. П. Колесникова (Лесорастительные условия..., 1973; Зубарева, 1986) определили тип леса для каждой ППП.
Всем сырорастущим деревьям на 111111 присвоен порядковый номер. На каждой пробной площади проводили сплошной подеревный перечет в виде замеров диаметра ствола каждого дерева на высоте 1,3 метра с помощью мерной вилки в двух взаимоперпендикулярных направлениях с точностью до 0,5 см. На основании полученных данных вычисляли средний диаметр насаждения. По вычисленному среднему диаметру выделяли и маркировали 20 модельных деревьев, диаметр которых наиболее близок к среднему. У. каждого модельного дерева определяли радиальный прирост за последние 5 . и 10 лет (Zds, Zdio, см) путем измерения кернов древесины, взятых приростным буравом. У выпилов и кернов в лабораторных условиях измеряли ширину годичных колец по пятилетиям и десятилетиям с помощью лупы Польди бинокуляра МБС-9.
Вне пробной площади срубали 3 дерева с диаметром, максимально близким к среднему. У них определяли высоту и по мутовкам приросты по высоте за последние 5 и 10 лет (Zhs, Zhw, м) и прижизненные приросты с помощью рулетки с точностью до 1 см. Определяли диаметры на высоты деревьев. По спилам на уровне корневой шейки у трех деревьев определяли их возраст. Средний возраст определяли как среднее арифметическое из возрастов замеренных деревьев, а также сопоставляли расчетный средний возраст с годом закладки лесных культур.
Для определения приведенных диаметров и высот, соответствующие значения приводили к 30 годам путем прибавления или вычитания величин радиальных приростов или приростов по высоте за соответствующие периоды.
Для определения типологической принадлежности и морфологических свойств почв на пробных площадях были заложены и описаны почвенные разрезы (Ремезов, Погребняк, 1965; Огиевский, Хиров, 1974; Иванова, 1976; Почвы СССР, 1979; Волкова и др., 1987; Ржанникова, Луганская, 1989). При отборе образцов почв для дальнейших лабораторных исследований использовали метод конверта (Огиевский, Хиров, 1974; Калинин и др., 1989). Для этого в пяти точках на НИИ, расположенных между рядами посадок на удалении не менее одного метра от деревьев, выполняли прикопки глубиной 15-30 см в зависимости от типа почв и из горизонта А\ и А2 отбирали образцы (Огиевский, Хиров, 1974; Ржанникова, Луганская, 1989).
Физиологическое состояние системы транспорта воды, минеральных веществ и ассимилятов ствола определяли на каждой 111111 с помощью измерения электрического импеданса прикамбиального комплекса (Голодрига, Осипов, 1972; Каширо, 1976; Суховольский и др., 1979; Тараканова, 1984; Голиков, 2000). Измерения проводили при помощи приборов ИД-2 и ИД-5, разработанных на кафедре биофизики УГЛТУ (Шавнин и др., 2003).
Прибор ИД-5, в отличие от своего предшественника, позволяет измерять активную и реактивную составляющие импеданса биологических тканей. Принцип действия прибора при измерении активной составляющей, импеданса основан на сравнении измеряемого сопротивления с эталонным на. низкой частоте, на которой емкостная составляющая не оказывает существенного влияния. Емкостная составляющая определяется расчетным путем, при этом в качестве исходных данных используются результаты измерения прибором импеданса на двух частотах - низкой (1 кГц) и высокой (50 или 100 кГц). При измерении импеданса использовалась методика, описанная разными авторами (Каширо, 1976; Каширо и др., 1988; Шавнин и др., 2000; Голиков, 2000; Голиков и др., 2001; Шавнин и др., 2003).
Зонирование по морфофизиологическим характеристикам
Экологическое зонирование лесов в районах антропогенного воздействия является одной из важных проблем, имеющих фундаментальное и прикладное значение. Экологическое зонирование лесов представляет собой процедуру обобщения комплекса данных о состоянии лесных экосистем и выделение границ отдельных зон, отличающихся по набору диагностических характеристик (Луганский и др., 1996; Мелехов, 1980). На основании его результатов представляется возможность судить о состоянии лесного фонда, создавать сеть пунктов ведения лесного экологического мониторинга, обосновывать подходы к оценке ущерба, нанесенного лесам аэропромвыбросами и планировать проведение лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение их продуктивности и средообразующих функций (Фомин, Шавнин, 2001).
В отличие от работы, проделанной Фоминым В. В. (Фомин, 1998) в 1995 году, при зонировании территории выделялось 5 зон, а не 4, что позволило увеличить детализацию карт и получить более информативную картину оценки состояния сосновых древостоев.
На рис. 3.2.1 показана карта-схема состояния лесов на территории, прилегающей к СУМЗу, составленная на основании обобщения морфометрических показателей состояния древостоев (табл. 3.1.5). Рассматривались 6 морфометрических параметров: высота и диаметр, радиальные приросты за последние 5 и 10 лет и приросты по высоте за последние 5 и 10 лет. На рисунке 3 карта-схема составлена на основании обобщения морфофизиологических показателей, кроме выше указанных морфометрических параметров был добавлен физиологический показатель состояния по содержанию хлорофилла "а" в хвое. Увеличение интенсивности окраски означает ухудшение состояния древостоев. На рис. 3.2.1 видно, что в целом, с удалением от СУМЗа балл состояния древостоев увеличивается. Как и ожидалось, наиболее плохое состояние древостоев наблюдается у древостоев, произрастающих в непосредственной близости от СУМЗа. Зона с плохим состоянием древостоев вытянута в северном направлении, где дополнительное влияние могут оказывать предприятия г. Первоуральска и р.п. Билимбай. Причиной низкого ОПС на 11 ППП, находящейся на окраине г. Первоуральска, может быть влияние предприятий города или менее выраженный рельеф местности, что способствует беспрепятственному продвижению загрязненных воздушных масс. Зона с удовлетворительным состоянием вытянута в северо-восточном направлении и охватывает значительную территорию района исследований.
Внутри ее находятся участки, как с плохим, так и с хорошим состоянием древостоев. Мозаичность в расположении зон, по-видимому, связана с определенным сочетанием лесорастительных условий, рельефа местности и влиянием атмосферных загрязнений от дополнительных источников. Зоны с хорошим и очень хорошим состоянием имеют наибольшую площадь и расположены вдоль южной границы района исследований. Так как, число точек наблюдения ограничено, то невозможно предположить, какое состояние древостоев, расположенных на границах района исследований. При введении дополнительных точек наблюдения состояние может резко измениться.
Благодаря ПС по содержанию хлорофилла "а" на рис. 3.2.2 зоны несколько видоизменились.
Состояние улучшилось на всех ППП, кроме 9 и 12 пробных площадей, зоны сдвинулись в лучшую сторону примерно на 3 км. Физиологический параметр, такой как содержание хлорофилла "а", внес существенные коррективы в распределение зон. Но данную характеристику целесообразно рассматривать в сезонной динамике, а мы использовали этот параметр один раз, в сентябре. Величины содержания хлорофиллов примерно одинаковы на всех 111111. Значительного отличия с контролем по содержанию хлорофилла "а" можно наблюдать только на деревьях, произрастающих на сильно угнетенных территориях. Вероятно, ФСА хвои деревьев, произрастающих в зонах с удовлетворительным состоянием, обладает более высокой устойчивостью и за счет этого содержание хлорофиллов поддерживается в нормальном количестве. Анализ результатов оценки состояния древостоев, произрастающих в условиях вредного воздействия промышленных предприятий, с помощью карт (рис. 3.2.1 и 3.2.2), позволяет сделать следующие выводы: 1. В непосредственной близости от основного источника загрязнения показатели состояния древостоев по всем параметрам худшие. 2. С удалением от СУМЗа наблюдается улучшение состояния древостоев. 3. Границы расположения зон с различным состоянием древостоев имеют следующие особенности: вытянутость в восточном направлении обусловлена преобладанием западных и северо-западных ветров; вытянутость зон с плохим и удовлетворительным состоянием на север, связана с наличием на севере от СУМЗа дополнительных источников загрязнения г. Первоуральска, а также с влиянием рельефа; мозаичность зон и сложная форма их границ (причинами являются особенности рельефа, влияющие на рассеивание поллютантов и неоднородность лесорастительных условий).
Зависимость физиолого-биохимических и биофизических параметров хвои от метеорологических данных
С целью изучения зависимости физиолого-биохимических и биофизических параметров хвои от метеорологических данных был проведен корреляционный анализ между исследуемыми характеристиками и метеорологическими данными, включая среднемесячную максимальную и минимальную температуры воздуха, среднюю и минимальную относительную влажность воздуха и количество осадков.
Результаты исследований (табл. 4.2.1) показали, что содержание хлорофилла "а" положительно коррелирует с температурой воздуха только на трех пробных площадях. На ППП 4, 10 и 11 коэффициенты корреляции со средней температурой воздуха 0,67, 0,59 и 0,60 соответственно, а на ППП 9 - 0,54, что является ниже порога достоверности, равного 0,55. Положительная корреляция свидетельствует о том, что с повышением температуры воздуха ФСА хвои больше синтезирует хлорофилла "а".
Следует отметить, что на ППП 9 наблюдали довольно высокий отрицательный коэффициент корреляции между каротиноидами и средней температурой (-0,76).
Положительная корреляция наблюдается на всех ППП между КЭ при освещенности 10 мкЕ/(м с) и средней температурой (г = 0,82 - - 0,88), а при освещенности 100 мкЕ/(м с) величины коэффициентов корреляции ниже. Это свидетельствует о том, что с повышением температуры воздуха активизируется ФСА хвои и, как следствие, увеличивается эффективность фотосинтеза.
Содержание связанной воды в хвое отрицательно коррелирует с температурой на всех 111111 и величины коэффициентов корреляции находятся в интервале от -0,61 до -0,76. При этом свободная вода коррелирует с температурой воздуха только на ППП 4, 10 и 11 (коэффициенты корреляции равны 0,59, 0,57 и 0,63 соответственно), а общее содержание воды коррелирует с температурой только на 9 ППП (г = -0,79).
Относительная влажность практически не с одним из измеряемых параметров не коррелирует, за исключением КЭ при освещенности 100 мкЕ/(м2с), у которой наблюдается отрицательная корреляция на всех четырех ППП (г = -0.62 - - -0.76).
Проведенный анализ, показал, что адекватность изменений состояния ФСА хвои к погодно-климатическим условиям может существенно изменяться под действием аэропромышленных загрязнений. Это подтверждается, например, отсутствием корреляции между температурой воздуха и содержанием хлорофилла "а" и свободной воды в хвое на сильно загрязненной ППП 9. Структурно-функциональное состояние хлоропластов ФСА и оводненность клеток хвои зависят от среднемесячной температуры воздуха и, как правило, не коррелируют с влажностью и осадками. Содержание вторичных метаболитов (полифенолов), слабо зависит от рассмотренных погодно-климатических условий района исследований.
Физиологическое состояние системы транспорта воды, минеральных веществ и ассимилятов ствола определяли с помощью измерения активной и реактивной составляющих электрического импеданса прикамбиального комплекса. Измерение производили с помощью портативного импедансметра ИД-5, разработанного на кафедре биофизики УГЛТУ (Шавнин и др., 2003). Методика измерений подробно описана в первой главе. Следует отметить, что до появления этого прибора отсутствовала возможность совершенствования данного подхода в направлении повышения его информативности.
Результаты измерений электрического импеданса прикамбиального комплекса ствола деревьев сосны на ПП № 4 и № 9 приведены в табл. 4.3.1.
Особенностью методики является то, что при проведении измерений глубина введения электродов постоянна (15 мм), то у деревьев иглы электродов прокалывают разное количество годичных колец. Анатомические особенности строения древесины и физиологические отличия между клетками отдельных слоев позволяют считать, что электросопротивление ранней древесины существенно ниже, чем поздней. Таким образом, электрический эквивалент ткани между электродами представляет собой цепь, состоящую из параллельно соединенных сопротивлений и конденсаторов. Каждый слой в этой цепи характеризует свойства одного годичного кольца и представлен активным сопротивлением и параллельно включенным конденсатором. Из этого следует, что измеренные значения активной и реактивной (емкостной) составляющих импеданса ткани являются суммарными для соответствующих параллельно соединенных элементов цепи. Зная количество слоев, равное числу проткнутых электродами годичных колец, рассчитываются средние величины активного и реактивного сопротивления одного годичного слоя, а также значение емкости, соответствующей реактивной составляющей импеданса.
Использование метода создания комбинированного стресса при оценке устойчивости сосны обыкновенной к действию аэропромышленныхзагрязнений
Результаты комплексной оценки древостоев показали, что при умеренном загрязнении среды изменение ряда физиологических характеристик не всегда достоверно, а применение анализа их сезонной динамики для оценки устойчивости достаточно трудоемко и интерпретация данных не всегда однозначна. В связи с этим, было предположено, что применение дополнительного к загрязнению искусственного дозированного стрессового воздействия, усиливающего влияние внешних факторов на деревья, позволит предложить новые подходы к оценке их устойчивости. Изучение последствий комбинированного стресса (КС) для набора физиологических характеристик, имеющих диагностическую значимость, может позволить выделить новые критерии устойчивости деревьев к действию техногенных загрязнений.
Для исследования влияния КС на скорость корневого минерального питания и физиолого-биохимические характеристики фотосинтетического аппарата (ФСА) двухлетней хвои деревьев сосны, подверженных. воздействию аэропромышленных загрязнений Среднеуральского . медеплавильного завода, был заложен специальный эксперимент. Он проводился параллельно на двух пробных площадях - ППП 4 (фон, вне зоны влияния завода) и ППП 9 (сильно загрязненный участок). КС создавали в начале вегетации дозированным(0, 90 и 100%) удалением коры и луба по периметру ствола лентой шириной 10 см на высоте 1,5 м от шейки корня. Анализ результатов исследований показал, что содержание серы в хвое деревьев сосны (рис. 5.1) постоянно накапливается в течение всего сезона вегетации на всех деревьях и КС влияния на этот процесс не оказывает.
Величина накопления на 111111 9 в течение всего вегетационного периода выше, чем на контроле, в 1,5-1,8 раза, что свидетельствует лишь о непосредственном влиянии СУМЗа на этой ППП и подтверждает полученные ранее данные. этой характеристики на ППП 4 больше, чем на сильно загрязненной в 1,1-1,5 раза (рис. 5.3) в течение всего периода наблюдений. Кроме того, осеннее снижение КЭ хвои на ППП 9 наступает раньше, чем на ППП 4. Следует отметить, что в конце августа этот эффект увеличивается при максимальном КС(100%окорении).
Водный обмен в хвое зависит от действия загрязнений. Содержание общей воды в хвое возрастает до августа на ППП 9 и до сентября на 111111 4 (рис, 5.4). Уменьшение оводненности хвои осенью происходит за счет снижения содержания свободной воды (рис. 5,5). КС, при 100% окорении, снижает содержание свободной воды на ППП 9 уже с середины периода вегетации. Таким образом, судя по показателям водного обмена (содержание общей и свободной воды в хвое), влияния КС и загрязнений аддитивны.
Изучение скорости минерального питания деревьев проводили на основании анализа изменений содержания N, Р и К в почве. Начиная с конца июня на ППП 4 и 9 под действием КС происходит снижение потребления нитратного азота, пропорциональное степени повреждения флоэмной системы (рис. 5.8).
Сезонная динамика потребления фосфора свидетельствует о замедлении перехода к осенне-зимнему покою под действием КС на обеих ППП, независимо от загрязнения (рис. 5.9). На 111111 4 происходит увеличение потребления этого элемента в июне-июле и снижение - в конце августа. Осенний эффект при действии КС происходит с запаздыванием. На ППП 9 сезонная динамика содержания фосфора в почве выражена меньше, чем на ППП 4. Помимо ослабления минерального обмена в условиях загрязнения это связано также с повышенным содержанием фосфора в почве на этом участке.
