Содержание к диссертации
Введение
1. Общие черты проблемы 13
1.1. Общие закономерности изменения состояния лесов под воздействием аэротехногенного загрязнения 13
1.2. Изменение состояния лесов под воздействием аэротехногенного загрязнения на Среднем Урале 23
1.3. Изменение состояния лесов под воздействием аэротехногенного загрязнения на севере Средней Сибири 26
1.4. Методы изучения и оценки состояния лесов в условиях аэротехногенного загрязнения 30
2. Природные условия регионов исследований 44
2.1. Географическое местоположение 44
2.2. Климат 47
2.3. Рельеф и почвы 51
2.4. Растительность 54
2.5. Аэротехногенное загрязнение как постоянно действующий экологический фактор . 59
3. Объекты, програма и методика исследований 66
3.1. Обоснование выбора объектов исследований 66
3.2. Лесоводственно-таксационная характеристика лесных насаждений на постоянных пробных площадях 67
3.2.1. Древостой 67
3.2.2. Состояние возобновления 84
3.2.3. Живой напочвенный покров и подлесок 90
3.2.4. Заселённость деревьев вторичными вредителями 105
3.3. Программа работ 107
3:4. Методика исследований 108
3.5. Объём выполненных работ 115
4. Динамика состояния древостоев в условиях аэротехногенного загрязнения 119
4.1. Пространственно-временная структура повреждения древостоев 119
4.1.1. Средний Урал 119
4.1.2. Север Средней Сибири 145
4. 2. Динамика отпада 155
4.3. Текущий прирост деревьев по радиусу и площади сечения... 165
4.4. Связь дефолиации и радиального прироста 179
5. Уровни загрязнения лесных насаждений в очагах поражения лесов 188
5.1. Воздух 191
5.2. Снег 198
5.3. Почвы 212
5.4. Растения 231
6. Основные закономерности реакции лесных насаждений на аэротехногенное загрязнение 239
6.1. Особенности воздействия аэротехногенного загрязнения на ассимиляционный аппарат деревьев 239
6.1.1. Анатомо-морфологическая характеристика ассимиляционного аппарата ели, лиственницы и березы.. 239
6.1.2. Феноритмика сезонного развития лесообразующих пород 247
6.1.3. Устойчивость ассимиляционного аппарата деревьев к "кислотным дождям" (критические периоды в сезонном развитии) 252
6.2. Устойчивости лесных насаждений к аэротехногенному
загрязнению в зависимости от структуры, возраста, состава
древостоев и условий местопроизрастания 256
6.3. Устойчивость лесных насаждений в зависимости от типа
4
аэротехногенного загрязнения 259
6.4. Устойчивость лесных насаждений в зависимости от природно-климатической зоны 262
6.5. Относительная устойчивость лесообразующих пород 263
6.6. Накопленное воздействие аэротехногенного загрязнения в
лесных насаждениях 267
6.7. Обсуждение полученных результатов 269
7. Оценка и прогноз жизненного состояния лесных насаждений и способы оптимизации экологической ситуации 280
7.1. Региональная шкала оценки степени повреждения лесных насаждений в очагах аэротехногенного загрязнения и прогнозирование их состояния 280
7.2. Оценка ущерба лесам от аэротехногенного загрязнения 284
7.3. Уровень предельно-допустимых аэротехногенных нагрузок для леса и способы оптимизации экологической ситуации в очагах загрязнения 293
Заключение 304
Библиографический список
- Изменение состояния лесов под воздействием аэротехногенного загрязнения на севере Средней Сибири
- Аэротехногенное загрязнение как постоянно действующий экологический фактор
- Лесоводственно-таксационная характеристика лесных насаждений на постоянных пробных площадях
- Север Средней Сибири
Введение к работе
Актуальность проблемы. В ряде регионов нашей страны вследствие высокой концентрации промышленного производства и недостаточной очистки отходов, наблюдается загрязнение окружающей среды аэротехногенными выбросами различных предприятий. Особенно большой ущерб природным комплексам наносит металлургическая промышленность. За 300 лет своего существования металлургическое производство породило множество экологических проблем и наложило свой негативный отпечаток на природные комплексы, в том числе и на леса.
С самого начала XX века на территории промышленно развитых стран периодически наблюдается массовая гибель лесных насаждений, даже на значительном удалении от крупных промышленных центров. Состояние лесов продолжает ухудшаться, особенно этот процесс проявляется в периоды неблагоприятных погодных условий (засуха, возврат холодов в ранне-летний период, подтопление и т. д.). Анализ отечественной и зарубежной литературы показал возросший интерес к состоянию лесов в мире, особенно в Западной Европе. Этот интерес нашел и правительственную поддержку подобных исследований в отдельных странах на фоне роста широкомасштабного ухудшения состояния лесов (Innes, 1988).
Анализ имеющихся данных оценки состояния лесов России (Государственный доклад ...по Российской Федерации, 1997; Отчет..., 1990) и геохимического фона показывает, что в промышленно развитых регионах страны негативные изменения состояния лесов наблюдаются на значительной территории и часто имеют уже и региональный масштаб (Государственны!^ доклад...по Свердловской области, 1996; Мартынюк, Касимов, 1993; Менщиков, Власенко, 1999).
В сравнительном плане, в развитых странах Европы в последние десятилетия наблюдается умеренное повреждение лесов при наличии развитых промышленного производства и транспорта, очевидно, благодаря жесткому природоохранному законодательству и наличию современных ресурсосбе-
регающих технологий. В странах бореальной зоны хвойные леса находятся в относительно здоровом виде, по сравнению с эталоном (Алексеев, 1997).
Общая площадь лесов в России, поврежденных в различной степени и погибших с начала проявления реакции на аэротехногенные выбросы, достигла более 800 тыс. га (Отчет ..., 1990). За 1991-1993 годы эта площадь увеличилась еще примерно на 66 тыс. га за счет погибших насаждений (Обзор..., 1994). По экспертным оценкам площадь лесов на территории РФ, подверженных в разной степени аэротехногенному воздействию, составляет 1-1,5 млн. га. Модельные оценки с использованием показателей фонового и импактного загрязнения ("Разработать ..., 1990") показали, что общее снижение продуктивности лесов в целом для России составляет 7,6%. Для некоторых районов снижение прироста более значительное.
Сибирь и Урал, как высокоразвитые в промышленном отношении регионы, в которых расположены большинство лесных ресурсов страны, стали одними из основных центров исследования проблемы негативного воздействия аэротехногенных выбросов на леса. Высокая концентрация промышленного производства на Среднем Урале - 3500 предприятий различных отраслей народного хозяйства, создают суммарный выброс вредных веществ в атмосферу до 2,8 млн. тонн в год (Солобоев, 1992). Причем, на самом деле выбрасывается больше, т.к. указанные объемы выбросов отражают данные только от учтенных статистической отчетностью промышленных предприятий. Более 800 тыс. тонн в год составляют выбросы от автотранспорта.
В экологически неблагополучных регионах сохранение лесов имеет особенно важное значение. По мнению многих исследователей, лесные насаждения вблизи промышленных предприятий выполняют функции эффективного фитофильтра (Кулагин, 1982) и являются важным фактором, оказывающим значительное положительное влияние на экологическую обстановку в регионе. Кроме того, леса и лесопарки, как элементы ландшафта, выполняют эстетические, санитарно-гигиенические и рекреационные функ-
ции. Вместе с тем, загрязняющие атмосферу, а также почвы аэротехногенные выбросы, периодически повторяющиеся пожары и высокие рекреационные нагрузки отрицательно влияют на лесные насаждения, формируя вблизи крупных промышленных центров очаги поражения лесной растительности.
В окрестностях многих крупных промышленных центров сохранились зеленые массивы пригородных лесов, которые требуют особого внимания со стороны лесоводов, экологов, а также администраций городов, экологической службы и лесхозов. Аэротехногенное загрязнение природных комплексов, другие последствия производственной и хозяйственной деятельности людей, отрицательно влияют на пригородные леса, снижая их продуктивность, долговечность и товарность древостоя, изменяют структуру и видовой состав лесных насаждений, снижают плодородие почв и в целом устойчивость лесных экосистем.
Большинство исследований, проведенных в нашей стране за последние 2-3 десятилетия по проблеме повреждения лесов выбросами промышленных предприятий, выполнены в локальных очагах повреждения. Очень мало сведений о масштабах повреждений и их пространственно - временной структуре в масштабах регионов и разных природно-климатических зон. Существенные отличия в методических подходах, при оценке состояния лесных экосистем в целом и в использовании показателей, характеризующих процесс дигрессии лесов, часто не дают возможности сделать обобщение полученных разными исследователями данных. Значительно лучше изучена экологическая ситуация в Европейских странах - имеются карты кислотности почв и схемы распространения основных загрязнителей в природной среде. В странах ЕЭК проводится мониторинг лесов по единой методике с 1986 г.
В Сибири и на Урале расположены основные массивы лесов России и здесь же сосредоточены крупные промышленные центры - источники аэротехногенных выбросов, загрязняющих природную среду. Данные факторы
определии выбор основных объектов исследований - леса, подверженные воздействию аэротехногенных выбросов на северном пределе произрастания (предтундровые леса) в районе г. Норильска Красноярского края и в зоне тайги промышленно развитого региона Среднего Урала.
Цель и задачи исследований. Цель работы - комплексное исследование закономерностей дигрессии лесных насаждений под воздействием аэротехногенного загрязнения в двух географических регионах на основе натурного изучения, обобщения ведомственных и литературных материалов, а также оценка наносимого ущерба лесам и обоснования путей его снижения.
Задачи исследований сводились к следующему:
Изучить реакцию лесных насаждений на аэротехногенное загрязнение на фоне разных физико-географических условий.
Изучить пространственно-временную структуру повреждений лесных насаждений в очагах аэротехногенного загрязнения.
Разработать методику диагностики повреждения лесов в очагах аэротехногенного загрязнения.
Разработать методику оценки ущерба лесам, подверженным хроническому аэротехногенному загрязнению.
Определить стратегию и методы сохранения и восстановления лесов в районах крупных промышленных центров.
Разработать методику оценки ущерба лесам, подверженным хроническому аэротехногенному загрязнению.
Для достижения этих целей в период 1986-2002 гг. проведены комплексные исследования динамики состояния лесных насаждений в очагах аэротехногенного загрязнения на полигонах, созданных на базе постоянных пробных площадей. На них изучались: показатели жизненного состояния лесных насаждений (биологические параметры), уровень содержания загрязняющих веществ в воздухе, снеговой воде, почве, растениях (геохимические параметры).
Научная новизна. В соответствии с новыми методами лесоэкологическо-го мониторинга впервые установлены закономерности процессов дигрессии и деградации лесных насаждений под воздействием аэротехногенных выбросов в крупных промышленных регионах в условиях двух контрастных природно-климатических зон: в условиях оптимального роста основных ле-сообразующих пород - в зоне тайги Урала и на северном пределе распространения в зоне лесотундры Средней Сибири. Критически проанализированы и применены в работе ряд гипотез, дискуссионных теоретических положений и вопросов методического характера.
На основе изучения закономерностей изменения параметров состояния лесных насаждений разработаны критерии и методы оценки степени деградации лесных насаждений с учётом текущего и накопленного аэротехногенного воздействия. Изучена связь динамики радиального прироста сосны и дефолиации хвои в очагах загрязнения. Общеевропейская методика оценки степени повреждения древостоев в очагах аэротехногенного загрязнения адаптирована для условий регионов Урала и севера Средней Сибири. Результаты работ легли в основу модифицированной методики оценки состояния лесных насаждений в очагах поражения аэротехногенными выбросами, а также оригинальной методики стоимостной оценки нанесённого лесному хозяйству ущерба.
Установлены закономерности и количественные показатели аккумуляции загрязняющих веществ в лесных насаждениях, их буферные свойства, способность к самоочищению и изменению лесорастительных свойств почвы на фоне разных физико-географических условий.
Обоснованность и достоверность результатов исследований обеспечивалась анализом большого репрезентативного материала, собранного в двух природно-климатических зонах за многолетний период с применением современных методик; комплексным подходом к решению поставленных за-
дач; применением современных математических методов, компьютерной техники и пакетов прикладных программ.
Практическая значимость. Полученные материалы имеют методическое значение при оценке степени трансформации лесных насаждений в зонах аэротехногенного воздействия и позволяют оценочными методами (по морфологическим показателям) на этапе рекогносцировочного обследования выделять зоны и участки леса, подлежащие учету в связи с потерей производительности древостоев, что существенно снижает затраты на проведение работ по стоимостной оценке ущерба. Кроме того, на основе материалов диссертации также можно зонировать территорию по степени воздействия аэротехногенных выбросов и разрабатывать системы мероприятий по ведению лесного хозяйства дифференцированно по зонам. Обоснованы и конкретизированы предложения производству по способам снижения негативного аэротехногенного воздействия на лесные насаждения, основанные на учёте критических периодов в сезонном развитии лесообразующих пород, а также предельно допустимых уровней аэротехногенных нагрузок в таёжной зоне Среднего Урала и в предтундровых лесах на севере Средней Сибири. Дана оценка газоустойчивости основных лесообразующих пород и прогноз жизнеспособности древостоев в зонах аэротехногенного загрязнения.
Основные положения, выносимые на зашиту. На защиту выносятся следующие основные положения: закономерности динамики изменения состояния лесных насаждений под воздействием аэротехногенных выбросов в оптимальных условиях для роста хвойных пород (зона тайги) и на северном пределе лесной растительности (зона лесотундры); оценка относительной устойчивости основных лесообразующих пород к аэротехногенному загрязнению; оценка устойчивости лесных насаждений к воздействию разных типов аэротехногенного загрязнения; методика оценки ущерба лесным насаж-
дениям, повреждённым аэротехногенными выбросами и пути снижения этого ущерба.
Апробация работы. Основные теоретические положения и практические результаты исследований представлялись и обсуждались на Всесоюзных и Всероссийских и региональных конференциях: Проблемы использования воспроизводства и охраны лесных ресурсов (Йошкар-Ола, 1989); Растения и промышленная среда (Днепропетровск, 1990); научно-производственной конференции концерна «Норильский никель» (г. Норильск, 1990); на международных конференциях: Освоение Севера и проблемы рекультивации (Сыктывкар, 1991; 1996); Проблемы мониторинга и экологического прогнозирования динамики лесных экосистем в крупных промышленных центрах (Тольятти, 1991); Биологическая рекультивация нарушенных земель (Екатеринбург, 1988,1996; 2002); Лесоводство севера на рубеже столетий (11 Ме-леховские чтения, Санкт-Петербург, 2000); Природная и антропогенная динамика лесных экосистем (Екатеринбург, 2001); Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса (Екатеринбург, 2001; 2003).
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, разработке программы и методики работ, сборе, обработке и анализе экспериментального материала, а также апробации результатов, формулировке положений, выводов и рекомендаций.
Настоящая работа является итогом исследований, выполненных автором в 1986-2002 годах.
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано S2 работы.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и 4 приложений. Основной текст изложен на 292 страницах, иллюстрирован 18 рисунками и содержит 80 таблиц. Библиографический список включает 395 наименований, в том числе 48 иностранных.
'Работа выполнена в лесной опытной станции Всесоюзного институт лесоводства и механизации лесного хозяйства (1986-1988 гг.) и лаборатории
Экологии техногенных растительных сообществ Ботанического сада УрО РАН (1988-2003 гг.). Исследования проводились в связи с проработкой плановых научно-исследовательских работ по темам: в период с 1986 по 1990 гг. в соответствии с Постановлением Президиума Верховного Совета СССР от 03.07.85 г. № 2664-XI, в рамках госбюджетной темы Ш.9.1. «Разработать предварительные нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) токсических веществ для основных лесоообразующих пород», согласно Постановлению Государственного комитета по науке и технике № 462 от 04.09.85. выполнялось задание Ш.9.1.1 «Определить предельно допустимые концентрации для лесообразующих пород в зоне действия Норильского горно-металлургического комбината и разработать мероприятия по повышению устойчивости лесов к вредным промышленным выбросам; в период с 1991 по 1995 по госбюджетной теме «Динамика лесной растительности в промышленных районах различных природно-климатических зон, разработка методов её восстановления и оптимизации» № 61.8900.8/738 (включена в Программу «Урал»); в период с 1998 по 2002 согласно заданию Свердловского управления лесами и Министерства природных ресурсов Свердловской области - тема «Разработать методику оценки ущерба лесам, подверженным влиянию промышленных выбросов в Свердловской области» договор № 4.2.2, и «Мониторинг лесов, подверженных воздействию промышленных выбросов в Свердловской области» договор № 2.2-эко.
В работе над диссертацией оказали большую научную и методическую помощь проф., д. с.-х. н. Н. А. Луганский, проф., д. б. н. А.К. Махнёв, д. б. н. С.Г. Шиятов. В проведении исследований в разное время участвовали: к. с-х н. Т.Б. Сродных, к. б. н. В.Э Власенко, к. б. н. А.П. Ившин, к. б. н. М.С. Князев, к. с.-х. н. С. А. Максимов, м. н. с. С. В. Мигалина, н. с. Н. С. Завьялова, м. н. с. А.С. Евстюгин, м. н. с. Л. В. Василюк, Г.В. Андреев, инженеры Г. А. Ваганова, А. И. Леонов. Автор выражает искреннюю благодарность всем вышеперечисленным коллегам.
Изменение состояния лесов под воздействием аэротехногенного загрязнения на севере Средней Сибири
Среди биологических проблем освоения ресурсов Крайнего Севера в последнее время важное значение приобретают вопросы воздействия производственной и хозяйственной деятельности человека на природные комплексы. Особенно негативные последствия может вызвать гибель лесов, которые на северном пределе распространения имеют большое климаторегулирующее значение. Наблюдаемые здесь масштабы повреждения лесотундровых экосистем от аэротехногенного загрязнения можно отнести к экологической катастрофе регионального уровня.
Интенсивное освоение природных ресурсов в северных районах Красноярского края началось по сравнению с Уралом значительно позже - в первой половине прошлого столетия. На севере Средней Сибири за полярным кругом, под воздействием аэротехногенных выбросов Норильского горнометаллургического комбината (НГМК), повреждаются предтундровые леса государственного лесного фонда на значительной площади.
Природный комплекс в данном регионе, особенно плато Путорана, довольно детально (вне очага аэротехногенного загрязнения) изучен геоботаниками и почвоведами. Определены видовой состав и структура растительных сообществ, пути их приспособления к экстремальным условиям Субарктики, продуктивность зональных фитоценозов и ее связь с термическими показателями (Горные..., 1986; Кузнецов, 1916; Москаленко, 1972; Москаленко, 1965; Норин, 1982; Чернов, 1985). Почвоведами изучены химизм почвенных растворов и природных вод, биологический круговорот зольных элементов и азота, процессы сезонного оттаивания и промерзания почв (Василевская, 1980; Игнатенко, 1977; 1978). В меньшей степени данный район изучен лесоводами. Имеются лишь краткие сведения о лесоводственных особенностях и типологии предтундровых лесов Средней и Западной Сибири, не затронутых аэротехногенными выбросами (Короткое, Дзедзюля, 1969; Крючков, 1974; Ярмишко, Демьянов, 1984). Леса в районе Норильска не устроены наземными методами и практически выпали из хозяйственной деятельности лесхоза и внимания исследователей-лесоводов. Это негативно сказывается на фоне аэротехногенного загрязнения природной среды. Поэтому задача изучения динамики состояния предтундровых лесов в условиях хронического аэротехногенного воздействия в данном регионе весьма актуальна.
Относительно равновесное состояние природных условий на значительной части мерзлотной области крайне неустойчиво и нарушение его в особо экстремальных условиях Севера может привести к нежелательным, нередко необратимым отрицательным последствиям (Поздняков, 1986).
Усыхание и гибель предтундровых лесов в районе Норильска, по наблюдениям Таймырского лесничества, начались в 1968 г. К лету 1970 г. древесная растительность полностью погибла на площади свыше 5 тыс. га. В 1972 г. площадь погибших лесонасаждений составляла около 80 тыс. га, а к 1975 г. увеличилась ещё на 69,9 тыс. га. Кроме того, в течение 1968-1975 гг. в результате воздействия аэротехногенных выбросов, было частично повреждено более 200 тыс. га предтундровых лесов.
С 1976 г. обследование повреждённых древостоев в районе Норильска проводится Брянской специализированной экспедицией Московского специализированного предприятия «Леспроект». При аэровизуальной таксации и наземном обследовании все лесные насаждения по категориям санитарного состояния древостоев распределяются в зависимости от количества усыхающих и усохших деревьев. В 1984 г. выделено 9 участков лесных насаждений, повреждённых аэротехногенными выбросами НГМК, площадь которых составила 409,2 тыс. га. С учётом результатов прошлых обследований площадь поражения составила 535,7 тыс. га. По степени деградации лесные насаждения распределяются следующим образом (тыс. га/%): погибшие 28 221,8/41,4; сильно повреждённые - 122,2/22,8; средне повреждённые -72,8/13,6; слабо повреждённые - 118,9/22,2.
По данным аэровизуальной таксации, изменение площадей предтундро-вых лесов, повреждённых аэротехногенными выбросами НГМК в годы лесо-патологических обследований, составило:
Темпы увеличения площадей повреждённых лесонасаждений в данный период значительно уменьшились. Если за 1976-1978 гг. площадь повреждения увеличилась на 91,1 тыс. га (26,9%), то за 1980-1984 гг. - на 40,7 тыс. га (8,2%). Дальнейшее увеличение площадей повреждённых лесонасаждений произошло, вероятно, за счёт роста объёмов выбросов (ввод в строй нового завода «Надежда» в Кайеркане в 1987 г.), и использования Талнахской руды с повышенным содержанием серы.
Степень аэротехногенного воздействия НГМК оценивали по визуальным признакам и содержанию компонентов выбросов в растениях (Власова, Филипчук, 1990; Филипчук, Ковалёв, 1990). В зависимости от состояния лишайникового покрова в районе Норильска выделено пять зон, характеризующих загрязнение территории (Власова, Филипчук, 1990). Установлено, что наиболее чувствительны к воздействию загрязнения лиственница и все виды лишайников. Анализ состояния предтундровых лесов в районе Норильска наиболее полно отражён в публикациях Б. И. Ковалёва (1990; 1991; 1994; 1999; 2000; 2001; 2002). Выполнено зонирование на основе лесопатологического аэровизуального и частично наземного обследования очага поражения санитарному состоянию древесного яруса (Филипчук, Ковалёв, 1990). Сделан анализ динамики деградации древесного яруса (в основном, по данным аэровизуальной таксации) за многолетний период. По данным обследования 1989 г., площадь поврежденных и погибших лесов и редколесий составила
565,1 тыс. га. Разработана шкала для оценки состояния древостоя (Ковалев, 1999). Расчёт существенности различий (Ковалёв, 2002) показал, что для всех степеней изменения состояния лиственницы по доле здоровых деревьев, составляющих древостой, существенно различаются. Коэффициент корреляции, рассчитанный для степеней изменения состояния, показал обратную зависимость, а для превышения отпада над естественным и доли деревьев с диаметром средним и выше по насаждению - прямую зависимость.
При помощи методов дистанционного зондирования и наземного обследования установлено, что зона повреждений предтундровых лесов распространяется на расстоянии до 180 км от Норильска (Харук и др., 1996). Выделение очагов повреждения, дифференциация уровня деградации древостоев проводились В.Н.. Харук (1993) на основе анализа вегетационных индексов (для данных спектрорадиометрии) и (г, g) - цветностей (для зональных и спектрозональних изображений).
Динамика состояния предтундровых лесов в районе Норильска, а также особенности накопления фитотоксикантов в различных компонентах биогеоценозов лесотундры отражены в публикациях С.Л. Менщикова (1989а,б,в,г;1990а,б,в; 1991а,б; 1992 и др). Оценкой воздействия аэротехногенных выбросов НГМК на радиальный прирост лиственницы с помощью методов дендрохронологии занимался А.П. Ившин (1989; 1990а,б; 1991; 1992; 1993; Shiyatov S.G., Ivshin А.Р., 1993), который установил, что в очаге поражения у лиственницы нарушается связь радиального прироста с климатическими факторами, а воздействие аэротехногенного фактора на радиальный прирост в данном регионе проявляется раньше, чем появляются визуальные признаки повреждения.
Аэротехногенное загрязнение как постоянно действующий экологический фактор
Средний Урал. Наиболее промышленно развитой на Среднем Урале является Свердловская область, которая занимает второе место в Российской Федерации после Московской по промышленному потенциалу (Солобоев, 1992). Существенным отличием промышленного потенциала Урала от других, является временной фактор. Урал — это старопромышленный район (в 2001 году исполнилось 300 лет уральской металлургии). Данный фактор накладывает отпечаток на качественный и количественный состав выбросов (плохая очистка, отсталость и малая эффективность промышленного производства) и на характер воздействия на природные территориальные комплексы: сочетание локальных и региональных уровней воздействия (сочетание крупных промузлов и мелких локальных источников загрязнения), относительная стабилизация границ очагов поражения, формирование специфической структуры и состава лесов. Аэротехногенное загрязнение воздуха, рекреация и другие последствия хозяйственной деятельности людей, отрицательно влияют на прилегающие леса, снижая их продуктивность, долговечность древостоев, изменяют химический состав почв, структуру и видовой состав растительных сообществ, снижают плодородие почв, что ведёт к ослаблению биогеоценотических связей и, следовательно, к снижению их устойчивости (Менщиков и др., 1987). Длительное хроническое воздействие выбросов промышленных предприятий приводит к формированию локальных очагов с дифференциацией степени поражения растительности.
В ряде районов сложилась обстановка, характеризующаяся хроническим загрязнением воздушного бассейна малыми концентрациями аэротехногенных выбросов. На рис.1 (см. выше) выделены зоны хронического загрязнения воздушного бассейна по суммарному показателю загрязнения атмосферного воздуха: ореолы от двух до десятикратного превышения фона (общая площадь 31 тыс. км2) и свыше десятикратного превышения фона на площади 8,5 тыс. км (Государственный доклад...., 1996). Кроме того, выделены городские ореолы от двух до десятикратного превышения фона. Анализ экологической ситуации, сложившейся в последние годы по Свердловской области, показывает, что лесные природные комплексы испытывают негативное воздействие 2-х типов: локальное и региональное.
В период с 1992 по 1997 гг. наблюдалось некоторое снижение объема выбросов вследствие общего спада Уровня производства, экономических трудностей, недопоставок сырья и др., вызывавших остановку работы отдельных цехов и даже целых заводов. Однако с 1997 г. после акционирования заводов объемы выбросов достигли прежнего уровня, а в некоторых промышленных центрах даже превысили его. Уход предприятий из государственного сектора, отсутствие научно обоснованных методик оценки ущерба, нанесенного лесным насаждениям выбросами промышленных предприятий, привели к участившимся случаям так называемых «незапланированных» выбросов, которые трудно поддаются учету и контролю.
Более детальная характеристика объёма и состава аэротехногенных выбросов в районах исследований (очагах поражения) на территории Свердловской области по данным Министерства природных ресурсов, природоохранных служб (городских и областных, Государственный доклад..., 1996 , 1999,2000 гг.) и других источников (в открытой печати многие данные ранее не публиковались) приводится ниже.
Район Красноуралъска. В 2000 г. 19 предприятиями города в атмосферный воздух выброшено 72,794 тыс. т загрязняющих веществ. В 1995 г. выбросы загрязняющих веществ составили (тыс. т): общий 87,755, из них твёрдых 5,283, газообразных 82,754 (в том числе диоксид серы 79,116). Основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха города вносит предприятие металлургической отрасли ОАО «Святогор» (98,2%), ранее Красноуральский медеплавильный комбинат (КМК). Атмосферный воздух города загрязнен за счет,» в основном, ОАО «Святогор», диоксидом азота (50%), сернистым ангидридом (99,9%), оксидом углерода (52,0%). Легколетучие органические соединения поступают в атмосферный воздух в основном в результате выбросов ОАО «Святогор» (32,4%), МУЛ «Красноуральский хлебокомбинат» (21,1%). Среди твёрдых выбросов доминируют соединения меди, никеля, кобальта и свинца.
Рефтинско-Асбестовский район. Промышленными предприятиями в районе города Асбеста, состоящими на учете, в 2000 г. выброшено в атмосферу 285,187 тыс. т загрязняющих веществ. Выбросы в атмосферу по району в 1995 г составляли (тыс.т в год): общий - 264,210, твёрдых - 108,77, газообразных - 155,433 (в том числе диоксида серы 90,885). В выбросах загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу города, присутствует значительное количество твердых загрязняющих веществ (39,7%). В выбросах предприятий, кроме твердых, присутствуют следующие газообразные загрязняющие вещества: фенол, диоксиды азота и серы, оксид углерода, аммиак и легколетучие органические соединения. Основной вклад в выбросы вносят предприятия электроэнергетики, химии и нефтехимии. Наибольший вклад в выбросы диоксида серы (99,8%) и диоксида азота (96,3%) вносит Рефтинская ГРЭС; АООТ «УралАТИ» вносит основной вклад в выбросы легколетучих органических соединений (83,2%), фенола (97,2%), формальдегида (77%). Наибольший вклад в выбросы оксида углерода дают ОАО «Ураласбест» (42,3%) и Рефтинская ГРЭС(31,0%). Выброс аммиака от птицефабрики «Рефтинская» составил 97,6%. Фтористые газообразные соединения поступают в основном от ОАО «Малышевское РУ»(80,9%).
Район Нижнего Тагила. В атмосферный воздух города поступают загрязняющие вещества от 144 промышленных предприятий. Выбросы в атмосферу по району в 1995 г составляли (тыс.т в год): общий - 210,293, твёрдых - 31,663, газообразных - 178,630 (в том числе диоксида серы 14,236, оксид углерода 141,584).Неблагополучное состояние атмосферного воздуха определяют выбросы от таких промышленных предприятий, как ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», АООТ «Высокогорский ГОК», ГУЛ ПО «Уралвагонзавод».
Лесоводственно-таксационная характеристика лесных насаждений на постоянных пробных площадях
Район Красноуральска. По лесорастительному районированию (здесь и далее в регионе Урала по Б.П. Колесникову и др., 1973) территория района исследований приурочена к Западно-Сибирской равнинной лесорастительной области, зауральской холмисто-предгорной провинции, южно-таежному округу. Предварительный анализ состояния лесного фонда в зоне влияния атмосферных выбросов КМК показал, что сосновые и елово-сосновые леса здесь -занимают большую часть лесных площадей, и их деградация связана, главным образом, с гибелью в них сосны. Масштабы повреждений лесов от аэротехногенного воздействия, как показал анализ ведомственных материалов и литературных источников, ранее не определялись, поэтому нами было выполнено рекогносцировочное обследование, подобраны участки леса с визуальными признаками повреждения древостоев и заложены 9 111111: три ГШП в северном, две в восточном и три в южном направлении от Красно-уральска. В качестве контроля (фоновые насаждения) был взят участок соснового насаждения в 30 км вне очага поражения - на юг от источника аэротехногенных выбросов, где визуальные признаки повреждения не наблюдались. Ниже приводится детальная лесоводственно-таксационная характеристика состояния лесных насаждений в районе Красноуральска на 4 наиболее показательных 111111.
Исследуемые древостой представляют собой высоковозрастные сосняки с примесью берёзы, осины, ели, лиственницы и кедра. Таксационные показатели древостоев на 111111 приведены в табл. 2. Наибольшие средние высоты и диаметры характерны для сосны на 111111С-20 - 29 м и 38,1 см соответственно. Сосна на НІШ В-7 характеризуется наименьшей высотой и диаметром -22 м и 25 см соответственно. На ППП С-5 высота сосны оказалась 23 м, а диаметр - 32,2 см. Относительная небольшая высота и большой диаметр обусловлены наименьшей густотой из всех исследуемых 111111 - 364 экз/га.
Наибольшее количество деревьев, 749 экз/га, на 111111 С-20.На ППП В-7 густота составляет 431 экз/га, близкое значение имеют древостой на ППП С-20 - 474 экз/га. Наибольшая производительность древостоев (запас 639 м3/га) оказалась на 111111 С-20, что обусловлено относительно лучшими лесорасти-тельными условиями и высокой густотой. Абсолютная полнота на этом участке 51 м2/га, а относительная полнота - 1,11. Расположен этот участок на выположенной равнине с мощными почвами без признаков переувлажнения, что соответствует ягодниково-липняковому типу леса генетической классификации (Колесников и др., 1973). Относительно меньшая производительность древостоев на 111111 В-7 (запас всего 183 м3/га). Класс бонитета здесь -на уровне III (по бонитировочной шкале М. М. Орлова). Расположена эта ППП в верхней части склона с почвами средней мощности в брусничном типе леса. Древостой на ППП С-5 занимают промежуточное положение по про-изводительности (запас 306 м /га), класс бонитета II, тип леса ягодниковый. На 111111Ю-30 запас составляет 345 м3/га.
Наибольший запас сухостоя -14 м3/га, характерен для 111111 В-7 в зоне сильного загрязнения. Повышенный запас сухостоя характерен для ППП С-20 и обусловлен повышенной относительной полнотой древостоя 1,11, т. е. усилением конкуренции. В зоне среднего повреждения на 111111 С-5 запас сухостойной части древостоев составляет всего 1,9 м3/га. Наименьший запас сухостоя, 1 м3/га, оказался в контроле на ППП Ю-30, несмотря на то, что на данном участке возраст древостоев составляет 135-145 лет.
Рефтинско-Асбестовский район. По лесорастительному районированию территория района исследований относится к западной части зауральской, равнинной провинции, округу сосново-березовых предлесостепных лесов рядом с границей подзоны южной тайги. В окрестностях Рефтинской ГРЭС (табл. 3) сосна преобладает в составе древостоев по запасу - от 76 до 100 %, лишь на ППП В-1 и В-3 сосна составляет 71 и 74 %, остальная доля соответственно приходится на березу 18 и 26 %, а лиственница (11%) встречена только на ППП В-1. Практически все древостой имеют возраст от 110 до 130 лет, что при возрасте рубки сосны со 101 года соответствует спелым и перестойным древостоям. Лишь на ППП ЮВ-11 средний возраст сосны около 90 лет, поэтому данное насаждение является приспевающим. Для всех древостоев характерна высокая производительность - на границе I и II классов бонитета. Тип леса - сосняк травяной. Самыми густыми оказались древостой на ППП ЮВ-3 - 46о экз/га. Наименьшая густота древостоев характерна для 111111 В-11 - 391 экз/га. Все древостой являются высокополнотными: относительная полнота варьирует в пределах от 0,76 на ППП В-1 до 1,15 на ППП ЮВ-7. Исключение составляет ППП ЮВ-11, где полнота насаждения 0,65. Наименьший запас растущего леса оказался на ПГШ ЮВ-11 - 296 м3/га и обусловлен как меньшим возрастом древостоев - 90 лет, так и относительно невысокой полнотой -0,65. Наибольший запас древостоев характерен для ППП
ЮВ-7 - 675 м /га. Наибольший запас сухостоя оказался в зоне сильного загрязнения в непосредственной близости от Рефтинской ГРЭС на 1U111 В-1 -31 м /га и на ПППВ-3-17м7га.На остальных ППП запас сухостоя варьирует от 5 до 14 м3/га. Фоновые насаждения характеризует ППП ЮВ-30 с запасом сухостоя 13 м3/га.
Район Нижнего Тагила. Согласно лесорастительному районированию Свердловской области леса окрестностей Нижнего Тагила расположены на территории Западно-Сибирской лесорастительной области в зауральской холмисто-предгорной провинции в южно-таежном лесорастительном округе. В более позднем варианте лесорастительного районирования зауральскую холмисто-предгорную провинцию П.М. Верхунов с соавторами относят к уральской горной стране (Сортиментные ..., 1987). В качестве объектов исследования были выбраны сосновые насаждения, имеющие наибольшую хозяйственную и экологическую значимость в данном районе. По данным лесоустройства они занимают 50,0 % от общего запаса покрытых лесом земель Нижнетагильского лесхоза.
Север Средней Сибири
Современные темпы освоения лесных территорий приводят к нарушению гомеостаза биогеоценозов, следствием чего является потеря устойчивости древостоев к насекомым-вредителям (Реакция..., 1979). Вторичные и первичные вредители леса могут внести значительный вклад в ослабление и ускорить деградацию древостоев, поэтому в очагах аэротехногенного воздействия изучалась степень воздействия данного фактора на всех 111111. Изучение степени заселенности деревьев вторичными вредителями показало, что на всех семи полигонах данный фактор воздействия на состояние лесных насаждений не имеет существенного значения и в основном не превышает фонового уровня.
Ниже приводятся данные по району Каменска-Уральского, который из всех изученных объектов (один из самых южных лесхозов Свердловской области) наиболее подвержен риску воздействия данного фактора, и который местами здесь проявляется. Лесопатологическое обследование на ППП в районе Каменска-Уральского показало следующее. 1111113-1. На пробе заселенных погибших деревьев нет. Дерево №103 с редкой кроной попытался заселить большой сосновый лубоед, однако, внедрившиеся под кору самки лубоеда не смогли выжить. Это говорит о том, что хотя дерево ослаблено, оно в настоящее время обладает удовлетворительной жизнеспособностью. На деревьях 165 и 166 в нижней части ствола имеются отмершие участки древесины. Они с высокой плотностью заселены большим сосновым лубоедом (Blastophagus piniperda L.) и рагием ребристым (Rhagium inquisitor L.) (усач). Снаружи на деревьях имеются неудачные попытки заселения большим сосновым лубоедом. Древостой на данной 111111 был ослаб лен беглым низовым пожаром несколько лет назад. В целом в насаждении в 2000 - 2001 г. имелся большой запас вторичных вредителей. mill В-2. Заселенных вторичными вредителями деревьев на пробе не обнаружено. mill В-3. Заселенных деревьев не обнаружено. Численность вторичных вредителей на пробе очень низкая. Численность первичных вредителей - находится на межвспышечном уровне. mill В-4. Погибшие сосны заселены большим сосновым лубоедом и усачами. Попыток заселения ослабленных деревьев не обнаружено. Погибшие березы почти совсем не заселены короедами. Наблюдается воздействие на березы постоянного ослабляющего фактора (большое количество Ивановых побегов и искривление стволов). Численность вторичных вредителей на 111111 низкая. Насекомые не принимали никакого участия в ослаблении древостоя на данной пробной площади 1111113-5. Заселены уже погибшие деревья большим сосновым лубоедом, встречается малый сосновый лубоед (Blastophagus minjr Hart.), редко встречается полосатый древесинник (Trypodendron lineatus Olir.). Основания стволов погибших сосен заселены усачами, в основном встречается серый длинноусый усач (Acanthocinus aedilis L.), а также черный сосновый усач (Мопо-chamus galloproincialis Oil.). Деревья погибли сразу после пожара, а затем были заселены вторичными вредителями. Насекомые ведут себя не агрессивно, успешных попыток заселения еще не погибших деревьев не наблюдается. Плотность заселения короедами невысокая. Численность первичных вредителей - сосновой совки (Panolis flammea) и шелкопряда - монашенки (Zymantria monacha L.) - находится на межвспышечном уровне, хотя в сосновых насаждениях Каменска-Уральского района в 2000 г. возникли очаги массового размножения этих видов. 111111СЗ-6. На пробе встречаются погибшие деревья. Они были заселены после пожара большим и малым сосновым лубоедами, а также шестизубым (Ips Sexdentatus) короедом. Затем они были заселены усачами серым длинно усым, черным сосновым и короткоусым (Spondylis buprestoides L.) бурым комлевым (Criocephalus rusticus L.). Некоторые деревья были заселены с довольно высокой плотностью синим сосновым рогохвостом (Paururus iurencus L.) и златками (Phaenops cyanea F.). Такие деревья (10-15% от общего числа погибших) не сразу погибли после пожара, и одним из главных факторов их гибели является деятельность рогохвосток и златок. 111111СЗ-7. Заселенных вторичными вредителями деревьев на пробе не обнаружено.
Таким образом, изучение заселённости деревьев вторичными вредителями на ППП показало что, ПГШ СЗ-6 является единственной из всех проб, где вторичные вредители сыграли сколько-нибудь заметную роль в общем ослаблении древостоев. На пробных площадях, где насаждения подверглись воздействию низовых пожаров (111111 3-1, 3-5, СЗ-6) процент погибших деревьев выше, чем на остальных пробных площадях. Погибшие деревья заселены с большей плотностью вторичными вредителями. Если воздействие пожаров было достаточно сильным, то наиболее агрессивные виды вторичных вредителей могут принимать участие в ослаблении древостоев, приводя к гибели лишь часть деревьев (ППП СЗ-6). Разнообразие вторичных вредителей здесь выше.
Программа исследований включала следующие вопросы: 1. Анализ литературных источников, раскрывающих уровень изученности проблемы и существующих методик оценки состояния лесов под воздействием аэротехногенных выбросов. 2. Анализ экологической обстановки в районах исследований, объёма и состава аэротехногенных выбросов. 3". Организация полигонов с сетью пробных площадей в очагах повреждения лесных экосистем аэротехногенными выбросами. 4. Проведение комплексных сопряжённых исследований растительности и геохимического фона на пробных площадях: загрязнение воздуха; загрязнение снега; загрязнение почвы; загрязнение растений; лесоводственно-таксационных характеристик древостоев; характеристик лесовозобновления. 5. Изучение динамики изменения жизненного состояния лесных насаждений в очагах повреждения: оценка динамики отпада древостоев, изучение текущего прироста деревьев под воздействием загрязнения, анализ связи между дефолиацией и приростом деревьев. 6. Проведение фенологических наблюдений в очаге аэротехногенного загрязнения, изучение устойчивости древесных пород к аэротехногенному загрязнению в сезонном развитии и в зависимости от возраста древостоев. 7. Сравнительное исследование устойчивости лесообразующих пород к аэротехногенному загрязнению в разных физико-географических условиях. 8. Анализ причинно-следственных связей повреждения лесных насаждений в очагах поражения с разными типами аэротехногенного загрязнения. 9. Оценка ущерба лесам от аэротехногенного загрязнения. 10. Разработка методов и способов повышения устойчивости и сохранения лесов в крупных промышленных регионах.
