Анализ состояния насаждений тополя бальзамического ( populus balsamifera l.) на территории республики башкортостан
На правах рукописи
БАКИЕВ ИЛЬДАР ФАРИТОВИЧ
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НАСАЖДЕНИЙ
ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО (POPULUS BALSAMIFERA L.)
НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
Специальность 03.02.01 – ботаника и 03.02.08 - экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
ОРЕНБУРГ - 2012
Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы».
| Научные руководители: | доктор биологических наук, профессор Кулагин Андрей Алексеевич доктор сельскохозяйственных наук, доцент Мушинский Александр Алексеевич |
| Официальные оппоненты | доктор биологических наук, профессор Усманов Искандер Юсуфович |
| доктор биологических наук, профессор Хисамов Раиль Рауфович | |
| Ведущая организация | Филиал ФГУ ВНИИЛМ Восточно-европейская лесная опытная станция (г. Казань) |
Защита состоится «29» февраля 2012 года в _______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.180.02 при ГОУ ВПО Оренбургский государственный педагогический университет по адресу: 460844, г. Оренбург, ул. Советская, 19; тел. (факс) (3532) 77-24-54.
E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет».
Автореферат разослан «16» января 2012 года и размещен на официальном сайте http://ospu.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета Н.И. Мушинская
Общая характеристика работы
Актуальность темы. В условиях современного мира особую актуальность приобретают прикладные исследования, касающиеся оценки природных ресурсов и их рационального использования. Древесная растительность является объектом интенсивного использования человеком на протяжении многовековой истории его развития. Особую ценность при этом приобретают наиболее устойчивые к различным химическим, механическим и другим воздействиям древесные материалы. Необходимо отметить, что именно этими качествами и характеризуется тополь бальзамический. Кроме того, данный вид отличается быстрым ростом, декоративностью, высокой устойчивостью к действию различных экологических факторов и малотребовательностью к условиям произрастания. Все эти качества тополя обусловили достаточно интенсивное использование данного вида в защитном озеленении промышленных территорий (Князева, 1950; Красинский, 1950; Николаевский, 1964; Мамаев, 1969; Илькун, 1971; Антипов, 1979; Гудериан, 1979; Сергейчик, 1981; Дашкевич, 1982; Никитин, 1987; Хайретдинов, 1990; Hoffman, Gronlberg, 1990; Кулагин, 1998; Загрязнение..., 1988; Ситникова, 1990; Scheiber, 1990; Концепция..., 1993; Биоиндикация..., 1994; Коршиков, 1994; Кулагин, 2006; Applied..., 1976; Dassler, 1981; Smith, 1981).
Цель работы - охарактеризовать особенности состояния насаждений тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) в различных лесорастительных условиях на территории Республики Башкортостан.
Задачи исследования:
1. Представить характеристику лесорастительных условий территории Республики Башкортостан;
2. Проанализировать рост листьев, побегов и стволовой древесины тополя бальзамического в контрастных лесорастительных условиях;
3. Определить относительное жизненное состояние посадок тополя бальзамического в пределах Республики Башкортостан;
4. Представить перспективный план развития защитного лесоразведения и роли тополя бальзамического при создании санитарно-защитных лесонасаждений.
Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в том, что впервые для Республики Башкортостан представлена развернутая характеристика насаждений и особенностей развития тополя бальзамического. Анализ состояния культур тополя бальзамического является основой для реконструкции и создания защитных лесных насаждений с целью формирования высокопродуктивных лесонасаждений, способных выполнять комплекс природоохранных и средообразующих функций на значительных территориях.
Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечены значительным объемом фактического материала, лабораторными и полевыми экспериментами с применением современных методов проведения исследований и подтверждением их методами математической статистики.
Декларация личного участия. Автор лично производил работы по аналитическому обзору литературы, формулированию цели, гипотезы и задач исследований, выбору методик, сбору фактического материала, закладке лабораторных и полевых опытов, проведению камеральных работ, анализу и обобщению результатов исследований и формулированию выводов.
Практическая значимость проделанной работы связана с обоснованием использования тополя бальзамического при создании санитарно-защитных насаждений и озеленении промышленных центров Предуралья и Южного Урала.
Апробация работы. В период выполнения работ с 2005 по 2010 гг. результаты исследований докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Экология промышленного региона и экологическое образование» (г. Нижний Тагил), XII молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (г. Сыктывкар), VIII Всероссийском популяционном семинаре (г. Нижний Новгород), III конкурсе научных работ молодых ученых и аспирантов УНЦ РАН и АН РБ (г. Уфа), Всероссийской научно-практической конференции «Устойчивое территориальное развитие: теория и практика» (г. Сибай), IV Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем» (г. Пенза), Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти Л.В. Бардунова (1932-2008 гг.) «Проблемы изучения и сохранения растительного мира Евразии» ( г. Иркутск) и Международной конференции с элементами научной школы для молодежи в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (г. Уфа).
Организация исследований. Исследования проводились в период с 2005 по 2011 гг. в Научно-образовательном экологическом центре и на кафедре экологии и природопользования Башкирского государственного педагогического университета им. М. Акмуллы. Исследовательская деятельность осуществлялась в рамках выполнения проектов РФФИ №№ 05-04-97906, 08-04-97017-р, гранта Комиссии Президиума РАН по работе с молодежью в рамках ПЦР «Поддержка молодых ученых. Базовые кафедры» - Научно-образовательный центр лаборатории лесоведения Института Биологии УНЦ РАН «Дендроэкология и природопользование» совместно с Башкирским госуниверситетом, Башкирским госпедуниверситетом, Башкирским госагроуниверситетом и Уфимской государственной академией экономики и сервиса (2003-2005 гг.), а также хоздоговоров №1768 от 15.10.2004 г. с ОАО «Магнитогорский ГИПРОМЕЗ», №210/4 от 27.04.2010 г. с ОАО «УЖХ Сипайловский Октябрьского района г. Уфы РБ» и №63/б от 31.12.2010 г. с Администрацией городского округа г. Уфа Республики Башкортостан.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экстремальные лесорастительные условия техногенного антропогенного характера оказывают на состояние тополя бальзамического угнетающее воздействие в большей степени по сравнению с природными экстремальными лесорастительными условиями.
2. Определение потенциальных возможностей тополя бальзамического, как лесообразующей породы, обеспечит принятие экологически корректных решений при лесовосстановлении техногенных ландшафтов и проведение практических лесохозяйственных мероприятий в экстремальных лесорастительных условиях.
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 11 научных публикациях, в том числе в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК России.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 162 страницах и включает введение, 5 глав, выводы, список литературы, включающий 221 наименование, в том числе 44 на иностранных языках и приложений, содержит 3 таблицы и 55 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ
Во введении обоснована актуальность исследований, определены цель и задачи исследований, представлены теоретическая и практическая значимость работы, а также основные положения, выносимые на защиту.
ГЛАВА 1. КРАТКАЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
Территория Республики Башкортостан расположена в пределах Южного Урала и прилегающих к нему с запада и востока равнин. Она занимает площадь, равную 143,6 тыс. кв. км. Протяженность с севера на юг около 550 км, с запада на восток - 440 км. Башкортостан находится в пределах от 51 31 и до 56 и 34 с. ш. и от 53 10 до 59 59 в. д. Географическое положение характеризует особенности физико-географических условий: климата, гидрографии, гидрологического режима водных объектов, растительного, животного мира и своеобразных ландшафтов, сформировавшихся в результате влияния, кроме указанных факторов, геологического строения и рельефа местности (Агроклиматические ресурсы..., 1976; Физико-географическое районирование..., 2005).
ГЛАВА 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
В обзоре литературы рассмотрены вопросы оценки состояния и природоохранной значимости древесно-кустарниковой растительности нарушенных ландшафтов. Также представлена развернутая биоэкологическая характеристика тополя бальзамического.
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Пробные площади, на территории которых проводили исследования, распределены в пределах Башкирского Предуралья и Башкирского Зауралья Республики Башкортостан (рис. 1).
Скорость роста листьев определяли по изменению площади листовой пластинки тополя бальзамического. Измерения проводили с помощью штангенциркуля с не менее 20 деревьев на каждой пробной площади, при этом количество измерений на одном дереве было не менее 50.
Приросты побегов 1, 2 и 3-го годов жизни определяли путем измерения их штангенциркулем в течение вегетационного периода. Проводили оценку многолетней динамики роста побегов и сезонный характер их роста. Для определения скорости роста побегов выбирали деревья (не менее 20 шт.) в средней части насаждения. Измерения проводили в средней части кроны деревьев, количество которых было не менее 50.
Прирост стволовой древесины - важнейшая лесобиологическая и экологическая характеристика древесных растений. Толщина годичных колец может служить интегративным показателем, позволяющим оценить состояние дерева и степень влияния на его развитие комплекса экологических факторов. Изучение прироста стволовой древесины осуществляли с помощью приростных буравов Mora (Sweden) и Suonto (Finland). Результаты обработки древесных кернов, не менее чем с 20 деревьев, усредняли для оценки ростовых процессов и накопления биомассы растением.
В лесных насаждениях по общепринятым методикам (Сукачев, 1966) закладывались пробные площади. На каждой пробной площади производился перечет деревьев, определялся диаметр и высота отдельных деревьев.
Определение относительного жизненного состояния древостоев позволяет дать комплексную оценку их состояния под действием экологических факторов. В культурах древесных растений, произрастающих в условиях полиметаллического загрязнения окружающей среды проводилась работа по оценке относительного жизненного состояния. За основу была взята методика В.А.Алексеева с соавторами (1990), с некоторыми изменениями применительно к лиственным древесным породам, в соответствии с их биологическими особенностями.
В ходе перечета с помощью бинокля (БПЦ 7х50) проводили визуальную оценку следующих диагностических признаков относительного жизненного состояния деревьев: густота кроны (в % от нормальной густоты), наличие на стволе мертвых сучьев (в % от общего количества сучьев на стволе), степень повреждения листьев токсикантами, патогенами и насекомыми (средняя площадь некрозов, хлорозов и объеданий в % от площади листа).
Рис 1. Карта-схема Республики Башкортостан с нанесением районов проведения научно-исследовательских работ. Обозначения: 1 – Уфимский промышленный центр; 2 – Стерлитамакский промышленный центр; 3 – отвалы Кумертауского буроугольного разреза; 4– отвалы Сибайского филиала Учалинского ГОК; 5 – отвалы Учалинского горно-обогатительного комбината; 6 – отвалы Белорецкого металлургического комбината; 7 – г. Янаул; 8 – г. Нефтекамск; 9 – г. Агидель.
Относительное жизненное состояние насаждений определялось по следующей шкале: здоровое насаждение (100-80%), ослабленное (79-50%), сильно ослабленное (49-20%) и полностью разрушенное (менее 19%). Для определения ОЖС деревьев также рассчитывали объем стволов деревьев на пробной площади (Лесотаксационный справочник, 1980).
Фактический материал отбирался на протяжении 6 лет – в период с 2005 по 2011 гг. На протяжении всего срока исследования, результаты которых представлены в последующих главах, проводились по единой схеме – определялась сезонная динамика всех представленных процессов и явлений. Все измерения проводились не менее, чем в 30 повторностях. Математическая обработка полученных данных производилась с помощью статистического пакета Microsoft Excel 2000. На рисунках и в таблицах представлены средние арифметические данные и ошибки среднего значения за все годы исследований (Грейг-Смит, 1967; Плохинский, 1970; Вайну, 1979; Green, 1974).
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
4.1. Анализ роста листьев тополя бальзамического
При развитии растений тополя бальзамического в условиях промышленной зоны г. Уфы площадь листьев достигает максимальных размеров к середине лета, после чего происходит незначительное уменьшение площади. В условиях контроля мы наблюдаем аналогичные процессы, но более выражено – интенсивный рост в период июнь-июль (увеличение площади на 40-45%) и уменьшение площади в период июль-август (рис. 2).
Рис. 2. Сезонная динамика изменения площади листьев (кв. мм) растений тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) в пределах Республики Башкортостан (1 – Уфимский промышленный центр; 2 – Стерлитамакский промышленный центр; 3 – отвалы Кумертауского буроугольного разреза; 4– отвалы Сибайского филиала Учалинского ГОК; 5 – отвалы Учалинского горно-обогатительного комбината; 6 – отвалы Белорецкого металлургического комбината; 7 – г. Янаул; 8 – г. Нефтекамск; 9 – г. Агидель).
Примечание: на рисунке представлены данные опытных участков. При этом в контрольных условиях отмечается увеличение площади листьев на 20-100% относительно опытных участков.
Установлено, что листья растений, произрастающих в промышленной зоне г.Стерлитамака в условиях многолетнего хронического загрязнения в первой половине вегетации увеличиваются в размерах почти на 300%. Но к концу вегетации площадь листовых пластинок несколько сокращается за счет частичной потери тургора и усыхания, а также за счет отмирания краевых частей листьев (краевые некрозы), пораженных техногенными эксгалатами. Изменение светопоглощающей поверхности тесно связано с изменением эффективности работы фотосинтетического аппарата. При этом увеличение размеров листьев приводит к увеличению светопоглощающей поверхности, что в свою очередь может привести к увеличению продуктивности фотосинтеза растений и, в таком случае, гораздо большее количество продуктов фотосинтеза, помимо обеспечения жизненно важных биохимических процессов, может быть использовано в качестве дополнительных субстанций для поддержания работы защитных механизмов при интоксикации. Таким образом, быстрый рост листьев может рассматриваться как адаптация ассимиляционных органов к аэротехногенному загрязнению окружающей среды.
Установлено, что у растений тополя бальзамического при развитии на отвалах буроугольного месторождения (г. Кумертау) рост листьев прекращается уже в начале лета. Следует отметить, что листья тополя исследуемой территории меньше площади листьев тополя бальзамического, произрастающего на контроле в среднем на 40%. Характер роста листа в условиях отвалов и контроля одинаковый. К концу лета средний размер листьев тополя около 1400 кв. мм.
При развитии растений тополя бальзамического в условиях отвалов медно-колчеданного месторождения г. Учалы рост листьев в период июнь-июль замедляется и площадь листьев сокращается в среднем на 10%, но в июле-августе рост возобновляется. В условиях контроля развитие листа происходит иначе – стабильный рост в период июнь-июль с последующей остановкой роста. Анализируя площадь листьев на отвалах и контрольных пробных площадях необходимо отметить, что площадь листьев тополя бальзамического в условиях контроля больше и составляет 2450 кв.мм. к концу вегетационного периода против 1500 кв.мм. на отвалах.
Показано, что у растений тополя бальзамического при развитии на отвалах СФ Учалинского ГОК (г.Сибай) рост листьев прекращается в середине вегетационного сезона. Следует отметить, что листья тополя здесь несколько меньше по сравнению с остальными экотопами и их рост осуществляется менее интенсивно. К концу лета средний размер листьев тополя около 1400 кв. мм.
На отвалах медно-колчеданного месторождения г. Белорецк рост площади листьев наблюдается в период с июня по июль. К концу вегетационного периода их площадь составляет в среднем 1400 кв.мм. В условиях контрольных пробных площадей мы наблюдаем снижение площади листьев в середине вегетационного периода на 20-25% с последующим ростом до конца лета.
Листья тополя бальзамического при развитии в пределах промышленной зоны г. Янаул активно растут только до середины лета, далее мы наблюдаем уменьшение площади листьев до конца вегетационного периода. Аналогичное развитие у деревьев тополя бальзамического и на контрольных пробных площадях. Однако, необходимо отметить, что динамика уменьшения площади листьев в условиях контроля выше, чем на территории промышленной зоны. К концу лета средний размер листьев тополя около 1800 кв. мм.
Анализируя динамику изменения площади листьев тополя бальзамического в условиях промышленной зоны г. Агидель и контроля к ней, мы наблюдали одинаковый характер развития площади листа. Площадь листьев постоянно увеличивалась в течение всего летнего периода. Необходимо отметить, что площадь листьев в условиях контроля превышает площадь листьев деревьев, произрастающих в промышленной зоне не более чем на 15%.
Показано, что у растений тополя бальзамического при развитии на территории промышленной зоны г. Нефтекамск рост листьев прекращается в середине вегетационного сезона. В условиях контроля мы наблюдаем аналогичную картину. К концу лета средний размер листьев тополя около 1950 кв. мм.
4.2. Анализ роста побегов тополя бальзамического
Анализ роста побегов растений тополя бальзамического, произрастающих на территории промышленной зоны г.Уфы показывает, что различий между длиной побегов 1-го и 2-го года жизни не наблюдается. Одно- и двухлетние побеги развиваются менее интенсивно, чем побеги третьего года.
Установлено, что рост 2-х летних побегов тополей, произрастающих на территории Стерлитамакского промцентра, характеризуется как незначительный, поскольку достоверных различий между показателями длины этих побегов в июне, июле и августе не обнаружено. Наиболее интенсивным ростом характеризуются 3-х летние побеги тополя – увеличение их длины за сезон составило 35 мм или более 60% от первоначальной (июнь) длины. Однолетние побеги развиваются не менее интенсивно, чем 3-х летние – 20 мм в июне, 25 мм в июле и 37 мм в августе месяце.
Анализ роста побегов растений тополя бальзамического, развивающихся на отвалах КБР показывает, что в первой половине вегетации увеличения линейных размеров побегов 1, 2 и 3-го годов жизни нет. Во второй половине лета отмечалось незначительное увеличение длины исследуемых побегов. Но, необходимо отметить тот факт, что достоверных отличий между длиной 1- и 2-х летних побегов в разные месяцы не обнаружено, также как и нет таких отличий между размерами побегов 3 года в разные месяцы вегетационного периода. Таким образом, необходимо констатировать факт отсутствия роста побегов тополя, при развитии на отвалах КБР.
На отвалах СФ УГОК с ростом побегов тополя отмечается картина, противоположная той, которая сложилась в г.Стерлитамаке. Здесь отмечается достаточно интенсивный рост 1-летних побегов на фоне очень незначительного роста 2-х и тем более 3-х летних побегов. Необходимо отметить, что рост 2-х и 3-х летних побегов прекращается уже в июле месяце.
На отвалах УГОК наблюдается подавление роста 1-летних побегов тополя бальзамического. В то же время побеги 2-го и 3-го года жизни растут интенсивно, увеличиваясь в длину за сезон на 45 (200%) и 35 (130%) мм соответственно. Таким образом, можно сделать заключение о том, что развитие растений всецело зависит от ЛРУ, а рост различных структур может служить индикатором состояния растения.
Анализ роста побегов растений тополя бальзамического, развивающихся на отвалах медно-колчеданного месторождения г. Белорецк показывает, что в первой половине вегетации увеличение линейных размеров побегов наблюдается у побегов 1 года жизни. Во второй половине лета отмечалось увеличение длины исследуемых побегов 1-го и 2-го годов жизни.
На отвалах УГОК наблюдается подавление роста 1-летних побегов тополя бальзамического. В то же время побеги 2-го и 3-го года жизни растут интенсивно, увеличиваясь в длину за сезон на 45 (200%) и 35 (130%) мм соответственно. Таким образом, можно сделать заключение о том, что развитие растений всецело зависит от ЛРУ, а рост различных структур может служить индикатором состояния растения.
Анализ роста побегов растений тополя бальзамического, развивающихся на территории промышленной зоны г. Янаул показывает, что в первой половине вегетации увеличение линейных размеров побегов наблюдается у всех побегов. Во второй половине лета мы наблюдаем длины побегов так же у всех побегов. Таким образом, мы можем констатировать факт отсутствия роста у побегов тополя бальзамического, произрастающего на территории промышленной зоны г. Янаул.
Анализируя сезонную динамику изменения длины побегов тополя бальзамического при произрастании в промышленной зоне г. Нефтекамск мы наблюдаем бурное развитие у побегов 1-го года жизни до середины лета и уменьшение длины во второй половине вегетационного периода. Побеги 2-го и 3-го года жизни развиваются незначительно до середины вегетационного периода с последующим торможением развития во второй половине лета.
Развитие побегов на территории промышленной зоны г. Агидель аналогично развитию побегов тополя бальзамического на территории промышленной зоны г. Уфы с той лишь разницей, что в первую половину лета развитие у побегов в промзоне г. Агидель протекает более интенсивно.
4.3. Приросты стволовой древесины тополя бальзамического
Ежегодное накопление биомассы растениями характеризует взаимодействие организма с окружающей средой, при этом достаточно тяжело составить целостную картину о развитии организма в различных ЛРУ в течение всего периода индивидуального развития. Исследования приростов древесины во многом способствуют пониманию состояния растений при действии большого спектра экологических факторов. Нами были проведены исследования по характеристике приростов стволовой древесины тополя бальзамического, при развитии в различных типах ЛРУ.
Установлено, что толщина коры у растений тополя при произрастании в условиях аэротехногенного загрязнения Уфимского промышленного центра составляет 4,6 мм. В течение последних десяти лет приросты стволовой древесины сохраняются на постоянном уровне (около 2,0 мм). Необходимо отметить, что анализируя данный показатель мы можем говорить о стабилизации накопления многолетними частями растений биомассы после 40 лет жизни в условиях техногенеза. Необходимо отметить тот факт, что на фоне высоких показателей приростов стволовой древесины, в последние годы тополя находятся в ослабленном состоянии, что подтверждается наличием сердцевинной гнили у всех исследуемых растений.
Показано, что толщина коры у растений тополя при произрастании в условиях полиметаллического аэротехногенного загрязнения Стерлитамакского промышленного центра составляет 5 мм. Достаточно высокий показатель толщины коры деревьев обусловлен необходимостью ограничения проникновения и негативного воздействия промышленных эксгалатов на растения. Установлено, что в течение последних десяти лет приросты стволовой древесины сохраняются на постоянном уровне (около 2,5 мм). Необходимо отметить, что данный показатель является высоким по сравнению с данными других экотопов, таким образом можно говорить о стабилизации накопления многолетними частями растений биомассы после 40 лет жизни в жестких условиях техногенеза. В период с 1990 по 1994 гг. приросты стволовой древесины не превышали 2 мм. При этом значения приростов в период 1980 – 1989 гг. достоверно не отличались от тех показателей, которые были установлены на современном этапе онтогенеза растений. На протяжении первых 20 лет жизни (1955–1974гг.) в условиях Стерлитамакского промышленного центра величина приростов стволовой древесины тополя бальзамического составляла около 1,5 мм. После относительно продолжительного периода стагнации нами обнаружено значительное увеличение показателей приростов стволовой древесины в период с 1975 по 1979 гг. до значения 1,86 мм. Необходимо отметить тот факт, что, несмотря на высокие показатели приростов стволовой древесины в последние годы, тополя находятся в ослабленном состоянии, что подтверждается наличием сердцевинной гнили у всех исследуемых растений.
Растения тополя бальзамического вместе с другими исследуемыми древесными породами были высажены на территории отвалов КБР после окончания их отсыпки около 25 лет назад. За это время тополя не сформировали полноценных насаждений по ряду причин, основной из которых стала неспособность молодых растений противостоять засолению. Тем не менее, некоторые из растений вегетируют и мы провели работы по характеристике приростов стволовой древесины. Показано, что на протяжении онтогенеза отмечаются резкие скачкообразные изменения величины приростов стволовой древесины – от 2,3 (1991 г.) до 0,5 мм (2002 г.), толщина коры составляет 2,7 мм. Характеризуя прирост стволовой древесины тополя бальзамического необходимо отметить, что в первые 5 лет жизни после посадки растения постоянно наращивали биомассу, однако в следующий период наблюдалось значительное снижение данного показателя. Резкое увеличение прироста стволовой древесины в 1991 году сменилось 2-х летним снижением накопления биомассы ствола. Скачкообразные изменения величины приростов стволовой древесины продолжались вплоть до 2002 г., после которого нами зафиксирована некоторая стабилизация с тенденцией к незначительному увеличению показателей приростов стволовой древесины. Низкие показатели приростов усугубляются наличием сердцевинной гнили у всех исследованных нами растений.
Необходимо отметить, что при самозарастании отвалов СФ УГОК древесная растительность сталкивается с рядом проблем, основной из которых является отсутствие подготовленного травянистыми растениями грунта для развития. Основной особенностью зарастания данных отвалов является то, что в первую очередь здесь поселяются древесные растения и позже под пологом на перегнивающий листовой опад начинают заселяться травянистые растения и кустарники. Бриофлора и лихенофлора на отвалах СФ УГОК в настоящее время отсутствует. Таким образом, древесные растения, выступая первопроходцами вынуждены принимать на себя основной «токсический удар» со стороны отвальных грунтов. Понятно, что такая ситуация негативно сказывается на увеличении биомассы растениями в том числе и на величине приростов стволовой древесины. С момента поселения в течение 25 лет у растений тополя бальзамического наблюдается незначительное снижение показателей приростов стволовой древесины – с 1,7 мм в 1960-1964 гг. до 1 мм в 1980-1984 гг. Затем был зафиксирован незначительный, но постоянный рост показателей приростов стволовой древесины, который на современном этапе составляет 2 мм. Толщина коры при этом составляет 6,5 мм. Стабилизация ситуации с накоплением биомассы многолетних органов тополя в значительной степени усугубляется наличием сердцевинной гнили у подавляющего большинства (более 90%) деревьев.
Формирование флороценотических комплексов на отвалах УГОК идет по схеме, представленной для отвалов СФ УГОК. Зональная древесная растительность выступает пионерной при поселении на отвалах. Тополь бальзамический не является элементом зональной растительности, однако его количество в г.Учалы и на прилегающей к отвалам территории столь значительно (в основном в виде полезащитных и придорожных лесополос), что данный вид может рассматриваться вместе сосной и березой как один из основных видов авангардной растительности при самозарастании отвалов. Возраст растений тополя произрастающих на отвалах УГОК, не превышает 12 лет. Прирост стволовой древесины тополей остается на довольно высоком уровне. Так, в первые годы после поселения величина приростов составила 0,8 - 1,5 мм (1994 – 1999 гг.). Затем показатели приростов резко увеличиваются, приближаясь к 3 мм (2001 г.) и снижаются до показателей 1,5 мм к 2004 г. В 2005 году величина приростов стволовой древесины у растений тополя бальзамического при произрастании на отвалах УГОК составила 1,7 мм, что соответствует уровню 2002 года.
Количество растений тополя бальзамического в промышленной зоне г. Янаул и на прилегающей к промзоне территории столь значительно (в основном в виде полезащитных и придорожных лесополос), что данный вид может рассматриваться как один из основных древесных видов растительности при формироании защитных лесополос в пределах промзоны. Возраст растений тополя произрастающих на исследуемой територии, не превышает 18 лет. В первые годы после посадки величина приростов составила 0,8 - 1,5 мм (1994 – 1999 гг.). Затем показатели приростов резко увеличиваются, приближаясь к 3 мм (2001 г.) и снижаются до показателей 1,5 мм к 2004 г.
На протяжении онтогенеза отмечаются скачкообразные изменения величины приростов стволовой древесины – от 2,3 (1994 г.) до 0,5 мм (2002 г.), толщина коры составляет 2,7 мм. Характеризуя прирост стволовой древесины тополя бальзамического необходимо отметить, что в период 1999-2001 гг. растения постоянно наращивали биомассу, однако в следующий период наблюдалось значительное снижение данного показателя. Толщина коры у растений тополя при произрастании в условиях техногенного загрязнения г. Агидель составляет 2,9 мм. Необходимо отметить, что в данном случае мы не наблюдаем развития сердцевинной гнили у деревьев, что характерно для насаждений примерно такого же возраста промышленных отвалов гг. Учалы и Белорецк.
4.4. Относительное жизненное состояние тополевников
Определение относительного жизненного состояния древостоев позволяет дать интегральную оценку влияния экологических факторов при развитии как отдельных растений, так и насаждения в целом в различных ЛРУ. Таким образом, оценивая относительное жизненное состояние, мы не просто оперируем с числами, а имеем возможность, установить причины тех или иных повреждений древостоев, можем оценить устойчивость отдельных деревьев и насаждения в целом к действию природных и техногенных факторов среды. Вместе с характеристикой плодоношения, естественного возобновления, а также оценкой запаса древесины и бонитета насаждения мы имеем возможность составить максимально подробное представление как о перспективах развития древостоя, так и оценить работу сложного адаптивного комплекса растений по реализации адаптивного потенциала древесных растений. Также представляется уникальная возможность проследить пути развития того или иного вида в различных ЛРУ и на основании полученных данных составить подробнейшие рекомендации относительно возможности использования того или иного вида при создании искусственных насаждений.
Описывая особенности развития тополя бальзамического в различных ЛРУ отмечено, что жизненные формы, которыми представлен данный вид в различных экотопах сильно различаются. В то же время, развитие на отвалах СФ УГОК (г. Сибай) и УГОК (г. Учалы) приводит к формированию атипичной для данного вида жизненной формы в виде многоствольного кустарника, высота которого не превышает 2 м, а диаметр составляет 4-6 см. В культуре на отвалах КБР (г. Кумертау) более чем за 20-летний период развития, несмотря на отсутствие конкуренции между деревьями и тем более с травянистыми растениями, тополя представляют собой небольшие деревца с ярко выраженным осевым стволом и боковыми ветвями, однако высота деревьев не превышает 3 м, средний диаметр 6 см.
Процессы развития тополя бальзамического на отвалах в районе городов Белорецк, Сибай и Учалы одинаковые, что выражается в формировании растения в виде многоствольного кустарника, при средней высоте 2,5-3,0 м. и диаметре 7-9 см.
Деревьями первой величины можно назвать только те тополя, которые развиваются в санитарно-защитных насаждениях промышленной зоны гг. Стерлитамака, Уфы, Янаула, Нефтекамска и Агидели. Здесь тополевники сложены прямоствольными мощными деревьями, высота которых в Стерлитамаке и Уфе составляет в среднем 27 м при диаметре 32 см в возрасте около 50 лет, в Янауле, Нефтекамске и Агидели средняя высота 22 м при диаметре 24 см в возрасте около 50 лет.
Следует отметить, что среди исследуемых древостоев с участием тополя бальзамического насаждения Стерлитамакского и Уфимского промцентра, а так же насаждения промышленных центров Нефтекамска, Янаула и Агидели в полной мере выполняют биосферные средостабилизирующие функции, чего нельзя сказать о тополях, произрастающих на промышленных отвалах.
Поскольку на промышленных отвалах не формируются насаждения тополя бальзамического в виде деревьев первой величины, то работы по оценке ОЖС данных растений мы не проводили. В основном наши исследования были сосредоточены на оценке ОЖС тополей, произрастающих в промзонах гг. Стерлитамак, Уфа, Агидель, Нефтекамск и Янаул. Установлено, что ОЖС насаждений тополя бальзамического (Populus balsamifera L.), произрастающих в экстремальных ЛРУ - в условиях аэротехногенного типа загрязнения окружающей среды характеризуется как «ослабленное». Среди исследуемых пород относительное жизненное состояние насаждений тополя наибольшее и составляет 75%, таким образом, эти насаждения приближаются по своему состоянию к «здоровым». При достаточно высокой густоте кроны (до 80%) и небольшому количеству мертвых сучьев на стволе (до 20%) отмечаются серьезные повреждения листового аппарата растений и стволов. Повреждения листьев отмечаются в форме появления хлорозных и некрозных пятен, усыхании отдельных листьев или их скручивании. Следует отметить, что на листьях нередко обнаруживаются энтомоповреждения, вызванные вспышками вредителей леса, в первую очередь, непарного шелкопряда (Porthetria dispar L.), который в отдельные годы уничтожает около 95% листьев в кроне деревьев. На стволах обнаруживаются морозобойные трещины, камеди и течи, являющиеся дополнительными признаками ослабления растений (табл.).
Одним из важнейших показателей зрелости и общего состояния растительного организма является его плодоношение. Уровень плодоношения древесных растений оценивался ними по пятибалльной шкале, при этом 5 баллов соответствует максимальному плодоношению. Отмечается, что у наиболее развитых растений тополя, произрастающих в промзоне г. Стерлитамака и Уфы, уровень плодоношения составляет 1-2 балла, в промзоне Янаула, Нефтекамска и Агидели - 2-3 балла. Растения тополя бальзамического, произрастающие на промышленных отвалах не плодоносят из-за особенностей онтогенеза в техногенных ландшафтах, выражающихся в изменении жизненной формы растений и задержке ростовых процессов.
Следует отметить, что ни семенного, ни порослевого возобновления тополя бальзамического в условиях Стерлитамакского промышленного центра и на отвалах КБР не отмечается. Это связано, в первую очередь, с мощным развитием травянистого яруса в лесопосадках в пределах промзоны, а также отсутствием семеношения и деревьев-обсеменителей на прилегающей к отвалам территории. При этом в культурах г. Стерлитамака успешно возобновляются рябина обыкновенная, черемуха обыкновенная и клен американский, являющиеся основными растениями подлеска.
Таблица.
Сравнение показателей относительного жизненного состояния растений тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) в пределах Республики Башкортостан.
| № ПП | Местоположение | Индекс ОЖС, % (опыт/контроль) | Категория состояния насаждения (опыт/контроль) |
| 1 | Уфимский промышленный центр | 48,1/90,3 | «Сильно ослабленное»/ «Здоровое» |
| 2 | Стерлитамакский промышленный центр | 69,1/86,0 | «Ослабленное»/ «Здоровое» |
| 3 | Отвалы Кумертауского буроугольного разреза | 63,4/88,7 | «Ослабленное»/ «Здоровое» |
| 4 | Отвалы Сибайского филиала Учалинского ГОК | 59,8/73,6 | «Ослабленное»/ «Ослабленное» |
| 5 | Отвалы Учалинского ГОК | 52,0/84,1 | «Ослабленное»/ «Здоровое» |
| 6 | Отвалы Белорецкого металлургического комбината | 50,8/82,2 | «Ослабленное»/ «Здоровое» |
| 7 | Промышленная зона г. Янаул | 80,2/83,2 | «Здоровое»/ «Здоровое» |
| 8 | Промышленная зона г. Нефтекамск | 76,4/79,0 | «Ослабленное»/ «Ослабленное» |
| 9 | Промышленная зона г. Агидель | 70,7/73,0 | «Ослабленное»/ «Ослабленное» |
Плодоношения тополей, произрастающих на отвалах СФ УГОК и УГОК не отмечается. Однако, наличие обсеменителей в непосредственной близости от отвалов определяет появление молодых растений семенного происхождения. Так, на отвалах СФ УГОК обнаружены единичные особи тополя, в основном порослевого происхождения (более 70% от всех обнаруженных растений), суммарное количество мелкого и крупного подроста которых не превышает 280 шт./га. Формирование флоро-ценотических комплексов на отвалах УГОК характеризуется наибольшей интенсивностью. При этом, на отвалах, возобноление тополя бальзамического идет крайне неудовлетворительно, что подтверждается обнаружением лишь единичных экземпляров данного вида кустообразной формы. Нами были также обнаружены особи тополя, относящиеся к группе мелкого подроста в количестве до 30 шт./га только порослевого происхождения. Таким образом, характеризуя возобновительный процесс растений тополя бальзамического, необходимо отметить, что в наилучшей степени данный вид расселяется на отвалах СФ УГОК, однако ничтожно малое количество подроста на отвалах не может обеспечить формирования полноценных насаждений в ближайшем будущем.
Оценивая хозяйственную ценность исследуемых тополевых насаждений, мы приходим к заключению о невозможности использования человеком тех растений, которые развиваются на отвалах, поскольку запас древесины их очень незначителен, а способность их выполнять средозащитные функции не позволяют нам надеяться на ощутимый эффект в ближайшем будущем. Показано, что определенную хозяйственную ценность могут представлять растения тополя бальзамического, произрастающие в санитарно-защитной зоне гг. Стерлитамака, Янаула, Нефтекамска и Агидели несмотря на повышенное содержание в растениях техногенных элементов. Зеленая масса растений не может быть использована в качестве корма для скота или при выделении биологически активных веществ, поскольку содержание в листьях техногенных металлов довольно высокое. Тем не менее, древесина растений может быть использована в деревообрабатывающей промышленности, например, при производстве ДСП, спичек и т.д.
ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВЫ ВЫРАЩИВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО В РЕСПУБЛИКЕ БАШКОРТОСТАН
Жизненно важным фактором, определяющим развитие растений, нельзя назвать какой-либо природный или антропогенный процесс. Как правило, совокупность факторов оказывает влияние на растительный организм, причем часто наблюдаются синергизм или антагонизм при действии различных факторов. Несмотря на эти обстоятельства, мы можем выделить определенные экологические факторы в качестве основных, при этом в целом лесорастительные условия будут характеризоваться именно с точки зрения определяющего фактора, не исключая при этом другие воздействия (Одум, 1986; Розенберг, 1994; Кулагин, 2006).
Реализация адаптивных возможностей и видоспецифичности древесных растений дает им способность успешно развиваться в экстремальных лесорастительных условий (например, жесткая конкуренция на периферии ареала или в условиях техногенеза). Трансформация природных ландшафтов техногенного характера нередко приводит к формированию экстремальных лесорастительных условий, несмотря на то, что это происходит в пределах географического и экологического ареалов отдельных видов древесных растений.
Для проведения комплексных лесоэкологических исследований тополя бальзамического были выбраны контрастные по лесорастительным условиям экотопы. К таким местообитаниям относятся – Уфимский промышленный центр, в пределах которого сосредоточено три крупных нефтеперерабатывающих завода, предприятия химического и нефтехимического профиля, что обуславливает преобладающий нефтехимический тип загрязнения окружающей среды; Стерлитамакский промышленный центр, представляющий собой концентрацию химических, нефтехимических и вспомогательных производств с преобладающим полиметаллическим типом загрязнения; отвалы Кумертауского буроугольного разреза, отсыпка которых прекращена 25 лет назад и где была проведена лесная рекультивация с участием тополя; отвалы Учалинского горно-обогатительного комбината; отвалы Сибайского филиала Учалинского ГОК; отвалы Белорецкого металлургического комбината; промышленныя зона интенсивно развивающихся городов на северо-западе Башкортостана – Янаула, Нефтекамска и Агидели. Таким образом, экстремальным и определяющим развитие древесных растений фактором является техногенез, проявляющийся как в форме статичного воздействия (отвалы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности), так и в виде динамического воздействия – воздушное нефтехимическое и полиметаллическое хроническое загрязнение окружающей среды.
Проведенные исследования позволили выявить ряд изменений надземных органов тополя бальзамического, которые могут быть определены как адаптивные. В первую очередь, в экстремальных лесорастительных условиях отмечаются изменения в скорости роста побегов. Техногенез вызывает неоднозначные изменения в росте побегов тополя. Так, в условиях нефтехимического загрязнения отмечено превышение приростов. При произрастании на буроугольных отвалах, наоборот, отмечается снижение приростов побегов тополя бальзамического по сравнению с контролем. Полиметаллическое загрязнение приводит к снижению длины побегов первого и второго года по сравнению с контролем. Отмечены изменения в формировании ассимиляционного аппарата тополя бальзамического. В экстремальных ЛРУ (как природного, так и антропогенного характера) площадь листа, как правило, ниже контрольных значений. Исключение составляет Стерлитамакский промышленный центр. В первом случае, в условиях полиметаллического типа загрязнения, в начале вегетационного периода пощадь листьев тополя бальзамического меньше, чем в контроле, а во второй половине сезона увеличивается и превосходит контрольные значения.
Оценка относительного жизненного состояния насаждений позволяет определить изменения на популяционном уровне. Показатели ОЖС изменяются от 100% в условиях контроля до 48,1% - при произрастании в условиях нефтехимического загрязнения (Уфимский промышленный центр). Относительное жизненное состояние насаждений тополей, произрастающих в природных экстремальных типах ЛРУ в целом выше, по сравнению с насаждениями, произрастающими в техногенных экстремальных типах ЛРУ.
Характеризуя адаптивные изменения на различных уровнях организации тополя бальзамического при развитии в экстремальных лесорастительных условиях необходимо отметить, что техногенез оказывает отрицательное влияние на развитие растений в большей степени по сравнению с природными факторами.
Адаптация древесных растений лежит в основе выживания и успешного их развития в постоянно меняющихся условиях, является важнейшей характеристикой вида в обеспечении гомеостаза. Изменчивость, устойчивость и экологическая пластичность служат одними из основных составляющих адаптивного потенциала. Если под устойчивостью понимается способность организма сохранять жизненно важные функции и процессы на определенном уровне при изменении условий произрастания, то экологическая пластичность, напротив, определяется максимально возможными колебаниями отдельных характеристик растений без ущерба для успешного роста и развития. Таким образом, именно благодаря определению степени изменчивости жизненно важных процессов на различных уровнях организации в экстремальных ЛРУ и определении взаимозависимостей между этими показателями мы приходим к определению реализуемой части адаптивного потенциала древесных растений. Экстремальные техногенные ЛРУ характеризуются спонтанностью и воздействуют на лесообразующие виды в течение многих лет с различной интенсивностью, а также отличаются по качественным характеристикам в отдельные годы. Это по форме и по содержанию аналогично «испытательному стенду», на котором древесные растения в течение онтогенеза подвергаются воздействию экстремальных факторов (Кулагин, 2006). Тополь бальзамический в ряду лиственных древесных пород занимает особое место. Ведущее значение, в аспекте характеристики адаптивного потенциала вида, принадлежит листопадности и быстрому росту тополя бальзамического. Данная особенность позволяет успешно произрастать в различных экстремальных лесорастительных условиях (как природного, так и антропогенного происхождения), занимая зачастую самые экстремальные экотопы. Выделенные адаптационные реакции тополя бальзамического обеспечивают устойчивый рост и развитие деревьев в экстремальных лесорастительных условиях. Тополь бальзамический, как лесообразующая порода, достаточно устойчива к действию техногенных факторов, обладает высокой газопоглотительной способностью и может успешно использоваться в создании санитарно-защитных насаждений в крупных промышленных центрах.
ВЫВОДЫ
- Рост листьев, а также побегов первого, второго и третьего года жизни во всех экстремальных типах ЛРУ достоверно меньше по сравнению с контрольными условиями. По сравнению с длиной побегов динамика их приростов отличается в зависимости от типа ЛРУ и в условиях экологического пессимума ниже, чем в контроле. Интенсивность роста побегов тополя в течение вегетационного периода снижается в экстремальных условиях по сравнению с контролем.
- В природных лесорастительных условиях ОЖС древостоев тополя бальзамического оценивается как «здоровое». При произрастании тополя бальзамического в условиях промышленного загрязнения состояние насаждений характеризуется как «ослабленное» или «сильно ослабленное».
- Показано, что ответные реакции растений тополя бальзамического при произрастании в экстремальных лесорастительных условиях, проявляющиеся в изменениях морфологических (рост листьев, побегов и стволовой древесины) и ценопопуляционных (ОЖС) показателей являются адекватной реакцией растений на стресс и могут быть отнесены к категории адаптивных ответных реакций, необходимых для выживания растений.
- Создание защитных насаждений тополя бальзамического может быть рекомендовано для промышленных центров и отвалов. Наиболее эффективными для выполнения средостабилизирующих функций могут быть признаны насаждения с участием тополя бальзамического в смеси с такими породами как сосна обыкновенная, береза повислая и лиственница Сукачева.
Список печатных работ,
опубликованных по теме диссертации:
- Кулагин А.А., Гизетдинов Т.Р., Бакиев И.Ф. Изучение приростов побегов тополя бальзамического (Populus balsamifera L.), произрастающего в условиях промышленного загрязнения (на примере отвалов Учалинского ГОК) // Материалы III конкурса научных работ молодых ученых и аспирантов УНЦ РАН и АН РБ. - Уфа: Гилем, 2005. - С. 81-83.
- Кулагин А.А., Бакиев И.Ф. Изучение приростов побегов тополя бальзамического (Populus balsamifera L.), произрастающего на отвалах Учалинского горно-обогатительного комбината // Устойчивое территориальное развитие: теория и практика: Материалы Всероссийской научно-практической конференции (12 ноября 2009 г.). Уфа: Гилем, 2009. С.167–168.
- Бакиев И.Ф., Кулагин А.А. Изменчивость тополя бальзамического как основа его устойчивости в экстремальных лесорастительных условиях // Аграрная Россия. – 2009. – Специальный выпуск. – С. 54-57.
- Исмагилов Р.Р., Бакиев И.Ф., Ямалеев Р.Х., Кулагин А.А. Пигментный комплекс растений как показатель устойчивости в техногенных условиях // Сборник статей IV Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем». – Пенза: РИО ПГСХА, 2010. – С. 65-68.
- Кулагин А.А., Бакиев И.Ф. Состояние насаждений с участием тополя бальзамического в пределах Башкортостана // Проблемы изучения и сохранения растительного мира Евразии: Материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти Л.В. Бардунова (1932-2008 гг.) (Иркутск, 15-19 сентября 2010 г.).- Иркутск: Изд-во Института географии им В.Б. Сочавы СО РАН, 2010. С. 498-500.
- Бакиев И.Ф., Ямалеев Р.Х., Кулагин А.А. Особенности развития растений тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) в условиях загрязнения окружающей среды металлами // Аграрная Россия. – 2010. – №5. – С. 35-42.
- Кулагин А.А., Бакиев И.Ф., Ямалеев Р.Х., Мушинский А.А. Оценка состояния насаждений тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) в экстремальных лесорастительных условиях Республики Башкортостан // Материалы международной конференции с элементами научной школы для молодежи в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. – Уфа: БГАУ, 2010. – С. 195-199.
- Бакиев И.Ф., Кулагин А.А. Тополь бальзамический (Populus balsamifera L.) в Республике Башкортостан: оценка состояния и перспективы выращивания // Материалы международной научно-практической конференции «Экологическое равновесие: антропогенное вмешательство в круговорот воды в биосфере». – СПб.: ЛГУ им. А.С. Пушкина, 2011. – С. 136-139.
- Kulagin А.А., Bakiev I.F. Balsam poplar (Populus balsamifera L.) under technogenic conditions in Republic of Bashkortostan (Russia) // Materials of V International Young Scientists Conference «Biodiversity. Ecology. Adaptation. Evolution.» - Odesa: ONU, 2011. – P. 162.
- Кулагин А.А., Бакиев И.Ф., Ямалеев Р.Х., Мушинский А.А Тополь бальзамический (Populus balsamifera L.) в экстремальных условиях произрастания на территории Республики Башкортостан // Вестник БГАУ. – 2011. - №4 (20). – С. 71-75
