Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Характеристика исследуемой территории – уфимского промышленного центра 11.
1.1 Физико-географическое положение г. Уфа 11.
1.1.1 Геологическое строение и рельеф .11.
1.1.2 Климат .13.
1.1.3 Почвы .17.
1.1.4 Растительность 19.
1.2 Социально-экономическая характеристика г. Уфа .21.
ГЛАВА 2 Влияние экологических факторов на древесно-кустарниковые растения (обзор литературы).. 26.
2.1 Влияние естественных условий на жизнедеятельность древесной растительности 26.
2.2 Влияние загрязнений антропогенного происхождения на древесную растительность .33.
ГЛАВА 3 Материалы и методы исследований 46.
3.1 Фенологические наблюдения и объекты данного исследования 46.
3.1.1 Тополь бальзамический (Populus balsamifera L.) .46.
3.1.2 Дуб черешчатый (Quercus robur L.) .50.
3.1.3 Липа мелколистная (Tilia cordata Mill.) .53.
3.1.4 Береза повислая (Betula pendula Roth) 55.
3.2 Методы фенологических исследований древесных растений .59.
3.3 Выбор пробных площадей для проведения исследований .70.
3.4 Статистическая обработка данных .73.
ГЛАВА 4 Результаты исследований и их анализ 74.
4.1 Характеристика протекания вегетационного сезона липы мелколистной (Tilia cordata Mill.) 74.
4.2 Характеристика протекания вегетационного сезона тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) 79.
4.3 Характеристика протекания вегетационного сезона дуба черешчатого (Quercus robur L.) 85.
4.4 Характеристика протекания вегетационного сезона березы повислой (Betula pendula Roth) 89.
ГЛАВА 5 Сравнительная характеристика протекания критических фенологических фаз древесных пород .94.
Выводы .118.
Список использованной литературы
- Почвы
- Влияние загрязнений антропогенного происхождения на древесную растительность
- Береза повислая (Betula pendula Roth)
- Характеристика протекания вегетационного сезона тополя бальзамического (Populus balsamifera L.)
Почвы
В тектоническом отношении территория принадлежит к Бирской впадине, в которой располагается долина реки Белой. Согласно схеме геоморфологического районирования, изучаемая территория расположена на юго-востоке Камско-Бельского понижения. Территория неоднократно испытывала дифференцированные прогибания. Конечным итогом этих прогибаний является Бельская депрессия, в пределах которой расположена территория зеленой зоны г. Уфа. Бельская депрессия формировалась в новейшее время и заполнена мощной толщей неоген-четвертичных отложений (Курнаев, 1973). В геологическом строении поверхности принимают участие осадочные породы разного возраста – пермской, третичной и четвертичной систем (Абдрахманов, 1985).
С особенностями геологического строения, а также историческими условиями формирования города связаны положение города, характер его застройки, литологии пород, рельефа. Основная часть города расположена на Бельско-Уфимском водоразделе, имеющим вид плато, сильно расчлененного, в долине притоков рек Белой и Уфы с многочисленными оврагами. Плато значительно приподнято над окружающими его с трех сторон речными поймами и долинами, вытянуто с юго-запада на северо-восток (Курнаев, 1973). По очертаниям и характеру поверхности плато может быть разделено в наиболее узкой части на южный и северный участки. Южная часть наиболее высокая, прорезана в субмеридианальном направлении долиной реки Сутолоки, которая делит эту часть на два увала. Склоны увалов пологи и изрезаны многочисленными разветвленными оврагами и балками. Долина реки широкая, к ней приурочена значительная часть города (Курнаев, 1973).
Формирование современного рельефа происходило в сложных геологических, тектонических и климатических условиях под воздействием эндогенных и экзогенных процессов. Сформировавшийся эрозионно-аккумулятивный рельеф представлен, с одной стороны, выровненной поверхностью с развитой речной сетью с наличием озер и болот, с другой – преобладанием крутых и обрывистых склонов, где активно развиваются карстовые процессы. Абсолютные отметки этой поверхности могут достигать 140-180 м (Мукатанов, 1992). В пределах северо-западной части зеленой зоны г. Уфа долина реки Белой достигает ширины 10-12 километров, в ней выделяется пойма, имеющая высоту 5-7 м и достигающая ширины 5 км. К пойме приурочены береговые валы, озера-старицы, заболоченные карстовые и суффозионные понижения. Часть их заполнена водой и представляет временные и постоянные озерки различной глубины (Кадильников, 1970). Участки низкой поймы характеризуются логово-гривистым рельефом. Левобережная водораздельная равнина представляет собой плиоценовую поверхность выравнивания абсолютной высотой 140-200 метров. Местами она имеет холмисто-увалистый рельеф и расчленена оврагами и балками, характеризуется широким развитием карста (Кадильников, 1970).
Климат г. Уфа, определяется взаимодействием трех основных факторов: солнечной радиацией, воздушными массами и характером поверхности территории. Значительная удаленность города Уфа от океанов и его положение на самом востоке Европы обусловливают континентальность климата. По классификации Алисова Б.П. (Хромов, 2006) г. Уфа относится к умеренной климатической зоне с атлантико-континентальным климатом.
Континентальный климат зеленой зоны города Уфа (Климат Уфы, 1987) характеризуется продолжительной зимой с устойчивыми низкими температурами воздуха и сравнительно жарким летом. Основными факторами формирования микроклимата являются загрязнения атмосферы, искусственный нагрев ее городскими тепловыбросами, застройка и благоустройство территории, а также орография. В формировании климата г. Уфа большую роль играют сибирские антициклоны и циклоническая деятельность на арктических фронтах (Исяньюлова, 2011). Среднегодовая температура воздуха в городе Уфа составляет 2,5С. Самая низкая среднемесячная температура приходится на январь: температура воздуха наиболее холодных суток - 39С. Температура воздуха наиболее холодной пятидневки -35С (обеспеченностью 0,92). Абсолютный минимум составляет -49С. Температура воздуха обеспеченностью 0,94 составляет -20С. Среднесуточная амплитуда температуры воздуха наиболее холодного месяца составляет 8,3С. Продолжительность периода со средней суточной температурой меньше 0С – 158 суток, средняя температура при этом – -9,4С. Продолжительность периода со средней суточной температурой меньше 8С – 213 суток, средняя температура при этом – -5,9С (Строительная климатология, 2003; Исяньюлова, 2011). Средняя продолжительность безморозного периода составляет 137 дней, но в отдельные годы она может колебаться от 98 до 176 дней. Устойчивый снежный покров образуется в среднем 10 ноября. Сроки появления первого снежного покрова колеблются от 14 сентября до 19 ноября (http://trishurupa.ru, 10.03.2013). Число дней с оттепелью: в ноябре – 12; в декабре – 4; в январе и феврале – по 2; в марте – 13. Число периодов с оттепелью в январе-марте продолжительностью 1-3 дня – 4,7; 4-6 дней – 1,1; 7-9 дней – 0,2; 10-20 дней – 0,5. Средняя продолжительность снеготаяния – 32 дня (Гареев, 2012). В Башкортостане настоящая фенологическая весна наступает только в конце марта. Средняя температура воздуха - 7-11С ниже нуля. Минимальная температура обычно бывает минус 11-15С (Кучеров, 2001).
Апрель – время бурного пробуждения природы. Среднемесячная температура по Башкортостану в ночные часы обычно опускается до минус 2-6С, днем поднимается до плюс 6-9С (Кучеров, 2001). Май считается теплым месяцем. Его средняя температура - 12,8С. Бывают жаркие дни – до 25С (Кучеров, 2001). В начале июня чаще бывает прохладно. Неустойчивая погода в первой декаде почти всегда связана с прохождением циклонов. С третьей пятидневки начинается настоящее лето, когда температура воздуха днем достигает 36С (Кучеров, 2001). Июль – самый жаркий месяц. В ночные часы температура обычно бывает 9-14С, а днем - 21-26С (Кучеров, 2001). Средняя температура июля равна 19,7С, а абсолютный максимум достигает 39С (http://trishurupa.ru, 10.03.2013).
Влияние загрязнений антропогенного происхождения на древесную растительность
Тополь бальзамический происходит из Северной Америки, где доходит до границы лесов на севере: по рекам Миссисипи и Миссури спускается далеко к югу (Альбенский, 1946). Распространен в восточной половине Азии и Северной Америке. Отсутствует в Европе, Африке и Западной Азии (Жизнь растений, 1981). В России широко культивируется от южных границ до полярного круга (Иванников, 1980). В Западной и Восточной Сибири, по сообщению Г.В. Крылова, по долинам рек естественно растет тополь сибирский бальзамический, по своим признакам и свойствам очень близкий к американскому бальзамическому тополю (Крылов, 1961). Ареалы распространения различных видов тополей представлены на рисунке 3.1. Растет в поймах рек, по береговым склонам, на отмелях, на суглинистых и песчаных почвах, на вырубках и просеках, встречается вместе с березой, осиной и елью, на равнинах с ивой и ольхой. В культурах повсеместно. Дерево высотой до 30 метров. Мезофит, олиготроф, засухо- и морозоустойчив, малотребователен к почвам, светолюбив (Чуваев, 1973), средне теневынослив. Рост быстрый. Служит источником древесины, лекарственное, техническое и кормовое растение. Размножается семенами и черенками (Thomas, 1984), но также способен к образованию корневых отпрысков и пневой поросли (Иванников, 1980).
Тополь успешно переносит затопление и погребение аллювием и в устьях временных водотоков выполняет кольматируюшую функцию (Кулагин, 1981; Габитов, 1984). Тополь считают сравнительно недолговечным растением, хотя и имеется немало примеров продолжительности жизни отдельных деревьев черных и белых тополей до 100-200 лет и более. Наиболее интенсивный рост наблюдается до 25-30 лет, а затем он заметно снижается. Большой прирост тополей, особенно в южных районах, в значительной мере обусловлен способностью их к длительному периоду роста в течение вегетационного периода (до 190 дней) и интенсивными процессами фотосинтеза и транспирации (Иванников, 1980). Рис. 3.1. Ареал распространения видов тополя на территории Российской Федерации. Тополь сильно страдает от вредителей и болезней. Насчитывается более 700 видов насекомых, а также существуют различные вирусы, бактерии и грибы, наносящие большие повреждения тополям и даже вызывающие их полную гибель (Иванников, 1980). Подробнее вредители и болезни тополей и меры борьбы с ними освещены в работе В.П. Гречкиной и А.И. Воронцовой (Гречкина, Воронцова, 1962).
Тополь бальзамический наиболее перспективен для городского озеленения, особенно вблизи крупных промышленных предприятий по причине того, что он обладает высокой газопоглотительной способностью и высокой устойчивостью к токсикантам (Гетко, 1985).
Тополь в состоянии поглощать такие вещества как фенольные соединения, пиридины и т.п. Один гектар молодых древесных насаждений тополя в возрасте 20-30 лет может поглотить за вегетационный сезон около 20 т промышленной пыли и 500-700 кг сернистого газа (Горышина, 1991).
Тополь бальзамический характеризуется слабым повреждением даже в условиях высокого уровня загрязнений алюминиевого завода, способен поглощать до 35% фтора от общего загрязнения. В его листьях обнаружено наибольшее количество фтора 4,53 г/кг воздушно-сухого веса. При более высоком уровне загрязнения растение погибает. У этих же деревьев в листьях обнаружено повышенное содержание кальция (121-186% от контроля). Так как кальций является антагонистом калия в клетке, то накопление кальция приводит к снижению количества калия (Павлов, 1998).
Среднее содержание свинца в листьях тополя бальзамического ниже (0,27 мг /кг), чем, например, у березы пушистой (1,46 мг/кг) (Залывская, 2009). Содержание свинца зависит и от интенсивности движения автотранспорта. При интенсивности 100 автомашин в сутки листья тополя содержат 25 мг/кг свинца, а при интенсивности 25000 автомашин в сутки – 100 (Вишаренко, 1988). Тополь бальзамический наряду с белым тополем устойчив к хлористым соединениям (Николаевский, 1979; Литвинова, 1986). Во время исследований, проводимых в городе Ижевск, где уровень загрязнения атмосферы соответствует среднестатистическим показателям городов Урала и основным источником загрязнения является автотранспорт (Ковальчук, 2014), у тополя бальзамического наблюдалось сокращение сроков цветения и увеличение периода вегетации (Эколого-биологические особенности, 2009). Цветение тополя в городе Красноярск, уровень загрязнения приземного слоя воздуха в котором очень высокий (Государственный доклад, 2002), оценивалось от 0 до 4 балов (Нургалиев, 2010). По методике Н.А. Кохно (Кохно, 1980) рост тополя бальзамического - оценка 5 (отличный как в ареале), генеративное размножение - 5 (размножение самосевом), зимостойкость - 5 (вполне зимостойкие), 100% полная адаптация, период вегетации тополя от 145 до 157 дней (Крылышкина, 2011).
В Российской Федерации дуб черешчатый растет на большой территории – от Санкт-Петербурга на севере почти до Одессы на юге и от государственной границы на западе до Урала. Область его естественного распространения имеет форму широкого клина, направленного с запада на восток. Тупой конец этого клина упирается в Урал, в районе Уфы (Петров, 1987). Ареал распространения видов дубов представлен на рисунке 3.2.
Дуб занимает промежуточное положение: его нельзя отнести ни к типично светолюбивым, ни к типично теневыносливым древесным породам (Петров, 1987; Деменчук, 1988). Дуб черешчатый требователен к богатству почвы. Теневынослив, засухоустойчив (Засоба, 2011). Зимостоек (Чуваев, 1973). Дубы (вероятно, около 450 видов) являются важнейшими
Ареалы распространения видов дуба. лесообразующими древесными породами умеренных широт и горных поясов северного полушария, а также компонентами тропического и субтропического (дождевого и сухого) леса Юго-Восточной Азии. Виды, растущие в тропиках и являющиеся компонентами тропического и субтропического горного дождевого леса, обычно имеют тонкие, мягкие листья. Виды муссонного климата, способные переносить длительную зимнюю засуху, имеют толстые жесткие листья, иногда с трабекуловидно- выступающими снизу жилками,
Береза повислая (Betula pendula Roth)
Несовпадение СЭТ в большинстве районов города свидетельствует о том, что существуют другие экологические факторы (вероятнее всего, антропогенного происхождения), влияющие на протекание фенологических фаз дуба черешчатого, особенно в условиях Уфимского промышленного центра.
При поиске закономерностей влияния термического фактора на ростовые процессы дуба черешчатого, происходящие в весенний период, можно отметить факт начала и протекания фенологических фаз только после длительного периода с температурой, превышающей 10-150С.
Жизненно важная фаза плодоношения протекает у дуба черешчатого по городу Уфа достаточно интенсивно. Созревание желудей происходит практически одновременно как по районам, так и по годам. В 2013 году - в период с 3 по 15 августа, в 2014 году – в период с 8 по 16 августа. Период плодоношения дуба черешчатого характеризуется высокой температурой (превышающей 20-250С) и небольшим количеством дней с осадками.
Следует выделить Советский район: в 2013 году, в котором период между началом плодоношения и массовым созреванием плодов продолжался длительное время - с 6 по 25 августа (примерно в 2 раза дольше, чем в других районах). Но следует также отметить, что в Советском с 8 августа и в Орджоникидзевском районах с 10 августа в 2014 году наблюдалось опадение зеленых (не зрелых) желудей приблизительно у трети и у половины исследуемых деревьев, соответственно.
В 2015 г. раскрытие генеративных почек произошло также, как и в предыдущие года после устойчивого перехода температуры воздуха через 100С в разных районах 4-7 мая. Но в связи с тем, что 7, 8 и 9 мая в городе Уфа ежедневно шел дождь эти соцветия цвели очень мало, кратковременно, неинтенсивно. По этой причине плодоношение в 2015 году было неинтенсивным. Желуди – некрупные (не более 1 см в длину), расположенные только в верхней части кроны, в основном с южной стороны в незначительном количестве.
Осеннее окрашивание листьев и листопад дуба черешчатого в большинстве районов города Уфа так же, как и у вышеуказанных древесных пород, в 2014 и в 2015 годах начались раньше по сравнению с 2013 годом. Важно отметить, что начало осеннего окрашивания листьев дуба черешчатого в 2014 году совпало с началом осеннего окрашивания листьев липы мелколистной (с 31 июля по 4 августа). Следовательно, причинами этого явления стали так же, как и для липы мелколистной, фактор пониженной температуры (ниже 200С) во второй половине июля и недостаток света (пасмурные дни).
Листопад дуба черешчатого в 2014 году также начался раньше, чем в 2013 году. Например, в Орджоникидзевском районе в 2013 году начало листопада датировано 6 августа, а в 2014 году - 25 июля. В большинстве районов листопад начинался раньше, чем осеннее окрашивание листьев. Например, в Калининском районе дата начала осеннего окрашивания листьев в 2014 году - 1 августа, а начало листопада – 26 июля. Некротических пятен на листьях дуба не наблюдалось. Преждевременный листопад обусловлен опадением частично окрашенных в осенние тона листьев. Это может быть также обусловлено стремлением растения к снижению количества аэротехногенных загрязнений, попадающих внутрь листа при газообмене.
Заканчивается же листопад в каждом районе в 2013 и в 2014 годах с разницей в среднем в неделю – в период с 15 по 28 октября. Здесь особо следует выделить Орджоникидзевский район, в котором вегетационный период дуба черешчатого заканчивался в течение 2 лет 21 и 23 октября соответственно, т.е. с разницей всего 2 дня.
Сроки окончания листопада дуба черешчатого совпадают со сроками окончания листопада тополя бальзамического. Это говорит о том, что из всех изменяющихся из года в год экологических лесорастительных условий естественного и антропогенного происхождения, единственным повторяющимся, является длина светового дня. В итоге, при достижении определенной длины светового дня, происходит окончание листопада и тополя бальзамического, и дуба черешчатого.
Характеристика протекания вегетационного сезона березы повислой (Betula pendula Roth) Графики протекания фенологических фаз березы повислой представлены на рисунке 4.5 и в приложении Е. Несмотря на то, что в 2014 году фенологические фазы набухания почек и образования листьев березы повислой начались позже, а в 2015 году раньше, чем в 2013 году (в соответствии с климатическими условиями), в зонах с высоким уровнем аэротехногенного загрязнения и относительного контроля они протекают одновременно (с различием в 2-3 дня). Например, фенологическая фаза набухания почек в Орджоникидзевском районе в 2013 году наступила 14 апреля, а в Калининском - 12 апреля. Фаза зеленения в Ленинском районе в 2014 году наступила 1 мая, а в Демском – 3 мая.
А фенологические фазы в зонах с повышенным уровнем загрязнения, которые расположены в центральной части города Уфа, наступают неодновременно, что может быть связано с близким их расположением к зонам повышенного загрязнения и относительного контроля.
Цветение березы повислой в районах города Уфа в течение трёх лет наступает во всех районах одновременно, – в период с 1 по 5 мая. Ежегодное совпадение дат цветения говорит о том, что ключевым фактором, влияющим на данную критическую фенологическую фазу, могла стать длина светового дня. Исключением в данном процессе был Советский район в 2013 году. В нем цветение березы началось на несколько дней раньше – 29 апреля и, соответственно, длилось дольше, чем в других районах
Характеристика протекания вегетационного сезона тополя бальзамического (Populus balsamifera L.)
Показано, что абиотический фактор оказывает невысокое воздействие на продолжительность данных фенологических фаз (не более 20%). Можно отметить лишь его воздействие на плодоношение дуба черешчатого (47%) и цветение березы повислой (41%).
Значительное влияние на продолжительность всех критических фенологических фаз оказывает антропогенный фактор. У каждого вида (кроме дуба черешчатого) существует фенологическая фаза, влияние на которую аэротехногенного загрязнения превышает 50%. Так, для тополя бальзамического – это распускание листовых почек (62%), для липы мелколистной – это цветение (53%), для березы повислой – это плодоношение – 65%. Дуб черешчатый отличается от вышеназванных видов тем, что влияния уровня загрязнения на все его критические фенологические фазы примерно одинаково: 34% - на распускание листовых почек, 28% - на цветение, 31% - на плодоношение.
Относительно интенсивности цветения и плодоношения самое высокое влияние антропогенная обстановка в районах оказывает на цветение и плодоношение березы повислой 44 и 53% соответственно. Самые низкие уровни влияния характерны для липы мелколистной (25% - на цветение, 21% - на плодоношение). Для дуба черешчатого так же, как и на продолжительности фенологических фаз, характерны одинаковые силы влияния и на их интенсивность – по 43%.
Таким образом, из исследованных деревьев можно выделить липу мелколистную, влияние на которую высоко только в отношении ее цветения, и дуб черешчатый, влияние на процессы которого не превышает 50% и примерно одинаково в отношении их продолжительности и интенсивности. Тополь бальзамический и береза повислая имеют параметры, характеризующих силы влияния уровня загрязнения, превышающие 50%.
В проведенных расчетах определены количественные характеристики сил влияния абиотических и антропогенных факторов на фенологические даты древесных растений, продолжительность и интенсивность фенологических фаз. Для разработки системы феномониторинга обобщим этот материал и рассчитаем относительное среднее значение силы влияния антропогенного фактора на ценопопуляцию каждого вида за вегетационный сезон. Результаты представлены в таблице 5.4.
Расчет относительной средней силы влияния антропогенного фактора на вегетационный сезон ценопопуляций изученных видов Вид Фе-но-фаза Влияние антропогенного фактора на Относительная средняясилавлияния,% фенологическую дату, % продолжительность фенологической фазы, % интенсивность фенологической фазы, % Тополь РЛП 28 62 - Ц 3 32 28 П 3 18 34 Липа РЛП 6 31 - Ц 36 53 25 П 4 18 21 Береза РЛП 13 43 - Ц 9 27 44 П 36 65 53 Дуб РЛП 49 34 - Ц 46 28 43 П 27 31 43 По полученной усредненной силе влияния антропогенного фактора на протекание и интенсивность критических фенологических фаз можно сделать вывод о том, что в наибольшей степени поллютанты оказывают влияние на развитие дуба черешчатого в течение вегетационного периода – 38%. Это объясняется тем, что ценопопуляции данного вида находятся в городе Уфа в экстремальных для них климатических условиях, усугубляющих влияние антропогенных факторов. В целом это приводит к следующим явлениям: - весенние критические фенологические фазы дуба черешчатого, в противоречие литературным данным, не зависят от температурных показателей. И, кроме того, в отличие от весенних фенологических фаз других рассмотренных пород, в наибольшей степени подвержены влиянию поллютантов, находящихся в атмосферном воздухе; - значительное различие интенсивности цветения и плодоношения в зонах с различными уровнями аэротехногенного загрязнения.
Значения средних сил влияния на состояние тополя бальзамического и березы повислой составляют 26 и 36% соответственно.
В целом для тополя бальзамического явлениями, приводящими к данному показателю, являются: - значительное варьирование даты распускания листовых почек в зонах с различным уровнем загрязнения; - длительное распускание листовых почек; - постепенное увеличение показателей интенсивности цветения и плодоношения при движении от зоны с высоким уровнем атмосферного загрязнения к зоне с низким его значением. Для березы повислой следующие явления приводят к среднему значению показателя влияния аэротехногенного загрязнения в 36%: - варьирование фенологической даты плодоношения в зонах с различным уровнем загрязнения; - сокращение периода созревания плодов ценопопуляций в зонах с низким уровнем загрязнения и удлинение данного периода в зоне с высоким его уровнем; - увеличение количества плодов в кронах деревьев при снижении уровня аэротехногенного загрязнения.
В меньшей степени аэротехногенное загрязнение оказывает влияние на липу мелколистную - 24%. В наибольшей степени, это влияние проявляется в отношении цветения: различной фенологической дате его наступления в районах города и в сокращении длительности этого процесса в зонах с высоким уровнем аэротехногенного загрязнения.
В связи с тем, что самое высокое влияние техногенез города Уфа оказывает на растения дуба черешчатого, именно этот вид может быть рекомендован для проведения феномониторинга на исследуемой территории.