Состояние сосновых насаждений в условиях автотранспортного загрязнения
На правах рукописи
Поташева Юлия Игоревна
СОСТОЯНИЕ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ
В УСЛОВИЯХ АВТОТРАНСПОРТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
06.03.01 – Лесные культуры, селекция, семеноводство
06.03.03 – Лесоведение и лесоводство, лесные пожары
и борьба с ними
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Архангельск – 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет»
Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Петрик Виталий Васильевич
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Тутыгин Геннадий Семенович
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Беляев Владимир Васильевич
доктор биологических наук, профессор
Грязькин Анатолий Васильевич
Ведущая организация: филиал ФГУ СПбНИИЛХ СевНИИЛХ.
Защита диссертации состоится 14 ноября 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.03 при ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет» по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, главный корпус, ауд. 1228; е-mail: les@аgtu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета
Автореферат разослан « » октября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Тутыгин Г.С.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Лесные экосистемы выполняют колоссальную биосферную функцию, являясь регуляторами всех происходящих на Земле процессов. Однако развитие промышленности и транспорта в последние десятилетия вызвало резкое увеличение потребления сырья, топлива и усиление загрязнения природной среды (атмосферного воздуха, воды, почвы) различными выбросами техногенного происхождения. С ухудшением экологической обстановки увеличилась нагрузка на лесные сообщества, что постепенно приводит к серьезным нарушениям в их функционировании.
Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью регулярного наблюдения и изучения реакции лесных экосистем на аэротехногенное воздействие. Своевременное выявление патологических изменений в состоянии насаждений позволит дать оценку и прогноз развития ситуации. Информация, полученная на базе мониторинга лесов, может быть использована для разработки комплекса лесохозяйственных мероприятий, направленных на сохранение и повышение устойчивости лесных экосистем.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы – комплексное исследование состояния придорожных сосновых насаждений, произрастающих в зоне атмосферного загрязнения выбросами автомобильного транспорта.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
- изучить состояние (экологическую структуру) сосновых фитоценозов;
- сравнить видовой состав эпифитной лихенофлоры сосновых насаждений, произрастающих вдоль автомобильных дорог, отличающихся интенсивностью транспортных потоков;
- проанализировать изменчивость длины потёка живицы у деревьев с разным жизненным состоянием;
- оценить содержание тяжёлых металлов в хвое сосны обыкновенной;
- выявить изменения морфо- и биометрических параметров ассимиляционного аппарата сосны под воздействием поллютантов;
- изучить морфометрические показатели шишек и наследственные свойства сосны в придорожных насаждениях;
- исследовать состояние и рост соснового подроста под пологом материнского древостоя.
Научная новизна. На территории Архангельской области впервые проведено комплексное изучение состояния защитных придорожных сосновых насаждений естественного происхождения. В мониторинге лесных экосистем предложено использовать метод диагностики жизненного состояния деревьев по длине потёка живицы.
Практическая значимость работы. Дана объективная оценка влияния выбросов автомобильного транспорта на состояние насаждений. Результаты исследований послужат основой при проектировании лесохозяйственных мероприятий в придорожных сосняках.
Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается большим объёмом экспериментального материала, собранного и обработанного с применением современных методов статистического, корреляционного, регрессионного анализов и соответствующего программного обеспечения.
Личное участие автора. Автором самостоятельно поставлены цель и задачи исследований, разработаны основные положения программы и методики работ, собран, обработан и проанализирован экспериментальный материал.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию АЛТИ-АГТУ «Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера» (Архангельск, 2004); на XI Перфильевских научных чтениях, посвященных 125-летию со дня рождения Ивана Александровича Перфильева «Биоразнообразие, охрана и рациональное использование растительных ресурсов Севера» (Архангельск, 2007); на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2005-2008). По материалам исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе одна в рецензируемом журнале из списка утвержденного ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту:
- степень повреждения придорожных сосновых насаждений поллютантами;
- закономерности накопления тяжёлых металлов в хвое сосны;
- влияние выбросов автомобильного транспорта на биометрические показатели ассимиляционного аппарата сосны;
- изменения в репродуктивной сфере и состоянии подроста сосны обыкновенной под воздействием техногенного стресса.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена
на 168 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц и 15 рисунков. Список использованной литературы включает 229 наименований отечественных и зарубежных авторов.
В первой главе изложено состояние исследуемого вопроса по результатам анализа отечественной и зарубежной литературы и определено направление исследований.
Среди многих опасностей, грозящих нормальному функционированию лесных экосистем, в последние десятилетия прибавилась новая – техногенное атмосферное загрязнение (Алексеев, Дочинжер, 1981). Многие научные исследования показывают, что это – один из значительных современных стрессов, который испытывают лесные экосистемы. Следствием атмосферного загрязнения следует признать не столько быструю гибель лесов в непосредственной близости от источников выбросов, сколько постепенные, незаметные изменения метаболизма и видового состава на огромных площадях в течение длительного времени (Рожков, Козак, 1989).
В настоящее время известно более 150 веществ, которые выбрасываются в атмосферу в больших количествах и расцениваются как вещества, загрязняющие воздух (Алексеев, Дочинжер, 1981; Десслер, 1981; Торлопова, Робакидзе, 2003). Воздействие вредных выбросов, даже в малых дозах, вызывает необратимые изменения в состоянии лесных насаждений (Шяпятене, 1983). Первоначально повреждения проявляются на физиолого-биохимическом уровне: изменяется активность ферментов, количество биологически активных веществ, нарушаются процессы фотосинтеза, дыхания, биосинтез углеводородов, белков и жиров (Тужилкина, 1997; Ладанова, Плюснина, 1998; Тужилкина и др., 1998; Папулов, 2004). Нарушение внутренних функций в дальнейшем приводит к развитию видимых симптомов: поражаются ткани листьев хлорозом и некрозом, сокращается продолжительность жизни хвои и уменьшаются её биометрические параметры, появляются изреженность крон и суховершинность, замедляется энергия роста, снижается продуктивность и устойчивость к неблагоприятным факторам среды. (Ярмишко, 1992; Сучкова, 2002; Торлопова, Робакидзе, 2003; Дрожжин, 2005; Усатова, Робакидзе, 2005). Ослабленные древостои становятся уязвимыми для вредителей и болезней (Мозолевская, Шарапа, 1992; Филимонкова, Тутыгин, 1998).
Одним из основных источников аэротехногенного загрязнения является автомобильный транспорт. По оценкам Минтранса РФ минимальная
величина ежегодного экологического ущерба от функционирования автотранспортного комплекса Российской Федерации оценивается в 4-5 млрд. долларов США. При сохранении существующей тенденции к 2010 г. этот ущерб увеличится ещё на 30-40% (Состояние…, 2005). Во всех регионах России, в том числе и в Архангельской области, число автомобилей в последнее время постоянно увеличивается. По данным Государственной инспекции безопасности дорожного движения УВД Архангельской области за 5 лет количество легковых автомобилей в регионе возросло на 45,7%, грузовых автомобилей – на 61,9%, автобусов – на 45,1%. Влияние транспорта на окружающую среду, в том числе и на придорожные лесные экосистемы, проявляется в процессе перевозок, при котором потребляются в большом количестве топливно-энергетические ресурсы и происходит значительное выделение загрязняющих веществ (Янсон, 1994; Павлова, 2000). На основе многочисленных исследований выбросы автомобиля по токсичности объединены в несколько групп. Азот, кислород, водяной пар и углекислый газ составляют группу веществ, которые принято считать нетоксичными. Группу токсичных веществ разделяют на семь подгрупп: оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, диоксид углерода, диоксид серы и сажа. Особую группу составляют канцерогенное вещество бенз(а)пирен и соединения свинца. В продуктах сгорания, выбрасываемых автомобилем, кроме свинца находятся тяжёлые металлы: медь, кадмий, никель, кобальт, железо, хром (Гурьев, Сизов, 1996).
Информации о воздействии выбросов автомобильного транспорта на лесную растительность недостаточно, что явилось определяющим в выборе направления настоящей работы. Изучение придорожных лесных биогеоценозов в Архангельской области представляет интерес для разработки мероприятий по ведению хозяйства в целях сохранения и улучшения защитных свойств леса. Эти насаждения играют важную роль, снижая скорость ветра, уменьшая снежные заносы, поглощая техногенные выбросы, пыль, снижая уровень шума и в конечном итоге обеспечивая комфортные условия для водителей автотранспорта и пассажиров.
Во второй главе отражены особенности природных условий районов исследований в Архангельской области. Дано описание климата, рельефа, почвенных и гидрологических условий, лесной растительности.
В третьей главе рассмотрены объекты и методика исследований.
Исследования проведены в пяти районах Архангельской области: Приморском, Виноградовском, Онежском, Плесецком и Холмогорском. Пробные площади заложены в насаждениях произрастающих возле
автомобильных дорог федерального, областного и местного значения с учётом розы ветров (с наветренной и подветренной сторон). При выборе участков для исследований предусматривалась сопоставимость по основным таксационным и типологическим показателям лесных сообществ, находящихся как под влиянием техногенного загрязнения, так и в фоновых условиях. Исследованиями охвачены сосновые древостои лишайниковой, зеленомошной и сфагновой групп типов леса.
Закладку временных пробных площадей производили в соответствии с требованиями ОСТ 56-69-83. Лесоводственно-таксационную характеристику насаждений на пробных площадях давали на основании общепринятых в лесном хозяйстве методик. Руководствами в работе явились ГОСТы, ОСТы, методические указания и лесотаксационные справочники (Сукачёв и др., 1957; Бурсова, 1961; Левин 1961; 1966; Гусев, 1970; Скляров, Шарова, 1970; Полевой справочник таксатора, 1971; Паршевников, 1974; ОСТ 56-81-84; Наквасина, Шаврина, 2001; Гусев, Соколов, 2003; Анучин, 2004).
Оценку состояния древостоев и степень их повреждения осуществляли согласно принятым Санитарным правилам в лесах Российской Федерации (1998) с учётом рекомендаций В.Ф. Цветкова (2003). Для определения жизнеспособности деревьев использовали способ нанесения микроранений и инструмент для ускоренного определения смолопродуктивности деревьев, разработанные В.В. Петриком и А.С. Яруновым (1997). В качестве объективного признака служила длина потёка живицы.
Особое внимание в исследованиях уделяли ассимиляционному аппарату сосны. Для его изучения использовали морфо- и биометрические методы биоиндикации (Молчанов, Смирнов, 1967; Чернышенко и др., 1998; Николаевский, 2002; Тарханов и др., 2004; Феклистов, 2004), а также химический метод анализа растительности на содержание загрязнителей (Методические указания…, 1993).
В течение двух лет (2005 и 2006 гг.) изучали влияние выбросов автомобильного транспорта на репродуктивную сферу сосновых насаждений. В ходе работ были определены морфометрические показатели шишек, качественные характеристики семян и наследственные свойства потомства сосны. Сбор шишек проводили в соответствии с действующим «Наставлением по лесосеменному делу…, 1994» Отбор образцов семян и определение их массы
осуществляли согласно ГОСТ 13056.1-67 и ГОСТ 13056.4-67. Проращивание семян проводили в специальных аппаратах в соответствии с ГОСТ 13056.6-97. Наследственные свойства (структуру) потомства деревьев сосны, произрастающей на пробных площадях, оценивали методом ранней диагностики по числу семядолей (Попов, Жариков, 1978; Попов, Файзулин, 2001). Состояние и рост подроста изучали на учётных площадках размером 2 Х 10 м каждая. При учёте отмечали видовой состав и характер его размещения на пробе (Левин, 1966; Побединский, 1966). Более подробно изучали сосновый подрост. У каждого деревца определяли максимально возможное число биометрических показателей.
В результате исследований, выполненных с 2004 по 2008 гг., нами заложено 40 временных пробных площадей. Обследовано по категориям состояния 9889 деревьев. При сплошном перечете учтено 9085 деревьев главной лесообразующей породы, из них на 7845 деревьях сосны нанесены микроранения. Для определения средних показателей древостоев (средней высоты, среднего диаметра и возраста) измерено 1000 модельных деревьев сосны и взято 400 кернов. Заложено и описано 27 почвенных разрезов. Для изучения подроста и подлеска заложено 80 учётных площадок. Обследовано 404 экземпляра соснового подроста. Для изучения ассимиляционного аппарата сосны срезано 1090 ветвей первого порядка. Для проведения химических анализов растительного материала было взято 28 образцов двухлетней хвои и 7 образцов хвойного опада. Собрано и измерено 618 образцов шишек.
Обширный объём экспериментального материала, собранного в течение четырёх лет, позволил получить достоверные результаты исследований и сделать научно-обоснованные выводы.
В четвёртой главе приведены результаты исследований состояния придорожных сосновых фитоценозов.
Экологическую структуру древостоев в ходе исследований определяли визуально по совокупности морфологических признаков: ажурности (изреженности и охвоенности) кроны, приросту в высоту, продолжительности жизни хвои, наличию хлорозов и некрозов, состоянию ствола и ветвей. Изучение состояния сосновых фитоценозов, произрастающих в зоне наибольшего влияния автомобильного транспорта (до 50 м) и фоновых условиях (от 300 до 1000 м), показало различия в структуре древостоев (табл. 1). Из всей совокупности обследованных насаждений, примыкающих к источнику загрязнения, в категорию здоровых было отнесено 36,4-52,2% деревьев, в категорию ослабленных (с разной степенью повреждения) – 39,9-50,8%. В фоновых условиях число здоровых деревьев составило 51,7-62,2%, ослабленных – 33,3-42,2%.
В зоне техногенного стресса происходит ухудшение жизненного со стояния сосновых древостоев. Отмечается уменьшение доли здоровых де-
ревьев в 1,2-1,5 раза и увеличение доли деревьев с разной степенью повреждения в 1,2-1,3 раза. На загрязненных территориях возрастает доля погибших деревьев сосны по сравнению с фоновыми участками в 1,2-1,9 раза. По мере возрастания техногенной нагрузки в отпад вовлекаются не только тонкомерные деревья, отставшие в росте, но и более крупные экземпляры.
Таблица 1
Представленность сосны обыкновенной по категориям состояния
на разном расстоянии от источника загрязнения
| Тип леса | Количество деревьев, % на разном удалении от дороги, м | |||||
| до 50 | 300 – 1000 | |||||
| здоровые | ослабленные | сухостой | здоровые | ослабленные | сухостой | |
| Приморский район | ||||||
| С.черничный (III кл. воз.) | 43,8 | 45,7 | 10,5 | 55,1 | 39,5 | 5,4 |
| С.черничный (V кл. воз.) | 46,2 | 42,4 | 11,4 | 57,3 | 33,8 | 8,9 |
| С. пушице-сфагновый (IV кл. воз.) | 36,4 | 50,8 | 11,2 | 52,7 | 39,1 | 8,2 |
| Виноградовский район | ||||||
| С.к.-сфагновый (VI кл.воз.) | 41,2 | 44,6 | 14,2 | 52,1 | 39,1 | 8,8 |
| С.лишайниковый (IV кл.воз) | 52,2 | 39,9 | 7,9 | 62,2 | 33,3 | 4,5 |
| Онежский район | ||||||
| С.папоротниково-кисличный (III кл. воз.) | 42,2 | 45,5 | 12,3 | 52,6 | 38,3 | 9,1 |
| Плесецкий район | ||||||
| С.брусничный (IV кл. воз.) | 42,7 | 48,8 | 8,5 | 52,0 | 42,2 | 5,8 |
| С.брусничный (III кл. воз.) | 41,9 | 48,9 | 9,2 | 51,7 | 40,3 | 8,0 |
| Холмогорский район | ||||||
| С.брусничный (V кл. воз.) | 48,2 | 43,0 | 8,8 | 57,6 | 37,7 | 4,7 |
Индекс повреждения для сосны варьирует в пределах от 1,75 до 2,39. Изменения индекса происходят с увеличением расстояния от источника загрязнения. Так, в 50-метровой зоне в среднем для сосны индекс колеблется от 2,04 до 2,39, на расстоянии от 300 до 1000 м интервал его изменяется от 1,75 до 2,06.
В качестве критерия жизненного состояния деревьев использовали такой показатель, как длина потёка живицы. Проведенные исследования позволили выявить зависимость количества выделяемой живицы от состояния деревьев. Полученные данные представлены в табл. 2. Наиболее интенсивно выделяют живицу здоровые, без каких либо видимых повреждений деревья (Поташева, 2006). Длина потёка живицы у них в разных типах леса колеблется от 60,8 до 97,8 см. В категории ослабленных деревьев выделение живицы значительно снижается. Длина потёка в среднем составляет от 36,7 до 74,5 см.
Таблица 2
Длина потёка живицы у здоровых и ослабленных деревьев
| Сторона автодороги | Категории жизненного состояния деревьев | Среднее значение | ||||||
| здоровые | ослабленные | |||||||
| диаметр ствола, см | длина потёка, см | диаметр ствола, см | длина потёка, см | диаметр ствола, см | длина потёка, см | |||
| Приморский район, Сосняк черничный (V класс возраста) | ||||||||
| Наветренная | 16,2±0,31 | 81,6±1,5 | 10,8±0,25 | 57,1±1,3 | 13,2±0,22 | 68,1±1,1 | ||
| Подветренная | 17,7±0,38 | 80,5±1,2 | 13,1±0,33 | 55,8±1,5 | 15,5±0,24 | 68,5±1,1 | ||
| Контроль | 19,1±0,38 | 88,5±2,3 | 13,5±0,38 | 67,0±3,4 | 16,9±0,34 | 80,0±2,1 | ||
| Сосняк пушице-сфагновый (IV класс возраста) | ||||||||
| Наветренная | 7,7±0,31 | 61,6±3,0 | 6,9±0,36 | 36,7±2,6 | 7,3±0,24 | 50,0±2,3 | ||
| Подветренная | 7,9±0,43 | 60,8±3,8 | 7,7±0,46 | 36,9±2,7 | 7,8±0,32 | 47,6±2,5 | ||
| Контроль | 8,1±0,21 | 68,3±3,1 | 6,7±0,22 | 45,9±3,1 | 7,4±0,16 | 57,1±2,3 | ||
| Виноградовский район, Сосняк лишайниковый (IV класс возраста) | ||||||||
| Наветренная | 17,9±0,29 | 96,9±1,7 | 10,2±0,37 | 56,7±2,8 | 14,6±0,31 | 79,8±1,9 | ||
| Подветренная | 16,8±0,28 | 93,4±1,7 | 9,4±0,31 | 52,3±2,3 | 13,8±0,26 | 76,9±1,6 | ||
| Контроль | 18,9±0,43 | 97,8±2,2 | 10,4±0,56 | 68,2±4,5 | 16,0±0,46 | 87,5±2,4 | ||
| Онежский район, Сосняк папоротниково-кисличный (III класс возраста) | ||||||||
| Наветренная | 21,5±0,25 | 80,8±1,2 | 15,1±0,29 | 58,9±1,5 | 18,2±0,24 | 69,7±1,1 | ||
| Подветренная | 20,1±0,23 | 80,7±1,4 | 13,7±0,21 | 59,9±1,6 | 16,7±0,20 | 69,5±1,2 | ||
| Контроль | 20,3±0,38 | 87,8±1,9 | 14,1±0,58 | 61,3±2,8 | 17,8±0,39 | 77,3±1,9 | ||
| Плесецкий район, Сосняк брусничный (IV класс возраста) | ||||||||
| Наветренная | 17,3±0,32 | 90,1±2,4 | 10,1±0,29 | 49,3±2,0 | 13,4±0,28 | 67,9±1,8 | ||
| Подветренная | 17,2±0,33 | 88,7±2,5 | 10,2±0,37 | 45,1±2,4 | 13,9±0,31 | 68,0±2,1 | ||
| Контроль | 16,2±0,29 | 93,3±2,8 | 9,6±0,31 | 51,4±3,5 | 13,8±0,31 | 78,2±2,6 | ||
| Холмогорский район, Сосняк брусничный (V класс возраста) | ||||||||
| Наветренная | 20,5±0,27 | 89,4±1,4 | 17,3±0,35 | 69,4±1,7 | 18,8±0,24 | 78,7±1,2 | ||
| Подветренная | 18,2±0,26 | 91,5±1,5 | 14,9±0,32 | 65,3±2,0 | 16,5±0,23 | 77,8±1,5 | ||
| Контроль | 19,6±0,40 | 97,6±1,5 | 16,6±0,72 | 74,5±3,4 | 18,5±0,37 | 89,6±1,8 | ||
Корреляционный анализ показал, что между длиной потёка живицы и жизненным состоянием деревьев наблюдается обратная связь от умеренной (r = -0,43) до значительной (r = -0,67) при 1% уровне значимости коэффициента корреляции.
Существенные изменения длины потёка живицы наблюдаются с увеличением расстояния от источника загрязнения. Сравнение контрольных значений с придорожными участками показало, что в фоновых условиях длина потёка живицы в среднем больше на 10-20% (tф>tst).
Использование такого показателя как длина потёка живицы даёт возможность более точно оценить состояние каждого древесного растения и диагностировать степень его повреждения.
Для оценки степени загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомобильных дорог с разной интенсивностью движения транспорта использовали метод лихеноиндикации. В изучаемых придорожных сосновых насаждениях видовой состав эпифитных лишайников не отличался большим разнообразием. Выявлено 15 видов лишайников. В основном они представлены кустистыми и листоватыми формами (табл. 3).
Таблица 3
Видовой состав эпифитных лишайников
7
| Вид | Интенсивность движения, авт./сут. | |||||
| 8300 | 5600 | 800 | ||||
| п | к | п | к | п | к | |
| Bryopogon chalybeiformis Link | + | + | + | + | + | |
| Cetraria glauca (L.) Ach. | + | + | ||||
| Cladonia deformis (L.) Hoffm. | + | + | ||||
| Evernia prunastri (L.) Ach. | + | + | + | + | ||
| Gasparrinia elegans (Link.) Stein | + | + | ||||
| Hypogymnia physodes (L.) Nyl. | + | + | + | + | + | + |
| Parmelia caperata (L.) Ach. | + | + | + | + | + | + |
| Parmelia centrifuga (L.) Ach. | + | + | + | |||
| Parmelia encausta (Sm.) Ach. | + | + | ||||
| Parmelia olivacea (L.) Ach. | + | + | + | + | ||
| Parmeliopsis ambigua (Wulf.) Nyl. | + | + | + | + | ||
| Peltigera canina (L.) Willd | + | + | ||||
| Usnea dasypoga (Ach.) Rhl. emend. Mot | + | + | + | + | ||
| Usnea longissima Ach. | + | + | ||||
| Xanthoria parietina (L.) Th. Fr. | + | + | + | + | ||
| Общее количество видов | 4 | 6 | 9 | 9 | 12 | 12 |
Примечание: п – придорожные насаждения, к – контрольные (фоновые) насаждения.
На обследованных территориях отмечено изменение состава лихенофлоры в зависимости от близости источника загрязнения и интенсивности движения автотранспорта. Наибольшее видовое разнообразие эпифитных лишайников наблюдалось в насаждениях, подверженных меньшей техногенной нагрузке. При интенсивности движения транспорта 800 авт./сут. было встречено 12 видов, а при интенсивности движения 8,3 тыс. авт./сут. – 4-6 видов. Из всех видов лишайников в районах исследований преобладали: Hypogymnia physodes (L.) Nyl., Parmelia caperata (L.) Ach. и Xanthoria parietina (L.) Th. Fr.. Эти виды считаются наиболее устойчивыми к загрязнению воздушной среды (Сурсо, Тарханов, 1996; Феклистов и др.,
2005). На стволах как сосны, так и берёзы доминировала Hypogymnia physodes (L.) Nyl. Довольно широко были представлены: Bryopogon
chalybeiformis Link и Usnea dasipoga (Ach.) Rol. emend. Mot и Usnea longissima Ach. Последние из перечисленных лишайников чувствительны к загрязнению воздуха и встречались только на участках с низкой степенью атмосферного загрязнения.
В пятой главе анализируются показатели, отражающие состояние ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной.
Изучение содержания тяжёлых металлов в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в разных лесорастительных условиях, показало сходные тенденции в накоплении и пространственном распределении поллютантов. Ряд накоплений тяжёлых металлов в 2-летней хвое имеет следующий вид: Zn > Cu > Pb > Cd.
Придорожные насаждения характеризуются повышенным, по сравнению с фоновыми, содержанием свинца и кадмия, особенно в 100-метровой полосе, прилегающей к дорогам. С удалением от проезжей части дорог концентрация загрязнителей постепенно снижается и приближается к условно-фоновым значениям, что подтверждается результатами исследований других авторов (Гурьев и др., 1994; Гурьев, Тутыгин, 1995; 1996). Корреляционный анализ свидетельствует об обратной связи между содержанием металлов (Pb, Cd, Cu, Zn) в хвое и расстоянием от источника выбросов при 5% уровне значимости коэффициентов корреляции. Наиболее качественно передают взаимосвязь между этими показателями логарифмические и степенные уравнения (табл. 4).
Таблица 4
Модели зависимости содержания тяжёлых металлов в 2-летней хвое
от расстояния до источника выбросов
| Уравнение регрессии | Индекс детерминации, R2 | Коэффициент корреляции, r | Достоверность коэффициента корреляции, t |
| Сосняк черничный | |||
| y = -0,3997Ln(x) + 3,1514 | 0,88 | -0,77±0,16 | 4,89 |
| Сосняк пушице-сфагновый | |||
| y = -0,3208Ln(x) + 2,7705 | 0,90 | -0,80±0,13 | 5,92 |
| Сосняк кустарничково-сфагновый | |||
| y = -0,2845Ln(x) + 2,6125 | 0,94 | -0,84±0,11 | 7,73 |
| Сосняк лишайниковый | |||
| y = 2,5372x-0,1562 | 0,89 | -0,80±0,14 | 5,76 |
В зоне автотранспортного загрязнения ассимиляционный аппарат сосны депонирует токсичные вещества в разной степени. Наибольшая
концентрация металлов наблюдалась в хвое насаждений, расположенных в направлении преобладающих от источника эмиссий ветров, т.е. в
направлении основного сноса поллютантов. Разница в содержании металлов с наветренной и подветренной составила: свинца 12,2-9,3%, кадмия 14,3-9,6%, цинка 8,7-4,2%, меди 5,4-3,5%.
Особую роль в процессах поглощения и перераспределения элементов и их соединений сыграли: состав древостоя, рельеф и кислотность почвы. Присутствие в насаждении лиственных пород снизило концентрацию загрязнителей, например в сосняке черничном: свинца на 10,2%, кадмия на 11,6%, цинка на 4,4%, меди на 3,8% по сравнению с сосняком пушице-сфагновым. Лиственные породы (берёза и осина) явились своеобразным барьером на пути проникновения загрязнителей вглубь лесного массива, улавливая значительную часть поллютантов своей листовой поверхностью.
Увеличение кислотности почвы, наоборот, способствовало повышению общего уровня содержания тяжелых металлов. В сосняке кустарничково-сфагновом оно составило: свинца на 7,6%, кадмия на 9,1%, цинка на 7,1%, меди на 6,6% по сравнению с сосняком лишайниковом.
Воздействие загрязнителей на растения привело к изменению целого ряда морфоструктурных параметров, характеризующих состояние ассимиляционного аппарата сосны. Длина хвои придорожных сосняков оказалась
в среднем на 10,0-18,0%, а площадь хвои – на 16,0-24,5% меньше по сравнению с соответствующими показателями фоновых насаждений. Абсолютно-сухая масса снизилась в среднем на 18%. Характер изменения площади хвои, в зависимости от содержания тяжёлых металлов, наглядно показан на рис. 1. Корреляционной анализ статистически подтвердил наличие отрицательной связи между морфометрическими показателями двухлетней хвои и содержанием поллютантов на разном расстоянии от источника загрязнения.
С повышением концентрации Pb, Cd, Cu, Zn в 2-летней хвое прослеживается тенденция увеличения плотности охвоения. Объясняется это тем, что по мере приближения к источнику загрязнения происходит снижение линейного прироста побегов всех порядков ветвления, а плотность охвоения побегов обратно пропорционально увеличивается (Ярмишко, 1997). Продолжительность жизни хвои в зоне влияния автомобильного транспорта сократилась на один год.
Длительное воздействие атмосферного загрязнения вызывало деструкцию элементов хвои, что привело к появлению хлорозов и некрозов.
Рис. 1. Изменение площади ассимиляционного аппарата сосны
Шестая глава посвящена оценке репродуктивной сферы сосны обыкновенной и состояния подроста в условиях аэротехногенного загрязнения. Существенные изменения происходят в репродуктивной сфере сосны обыкновенной. В насаждениях, расположенных на разном расстоянии от источника техногенного воздействия, выявлены различия в средних размерах шишек. По мере удаления от автомагистрали происходит увеличение всех морфометрических показателей (Поташева, 2007).
Размеры шишек, собранных в 2005 г. с контрольного участка, превысили параметры шишек с придорожных участков по длине на 13,6-8,9%; по ширине на 16,4-13,3%; по массе на 41,2-30,9%. В 2006 г. превышения составили: по длине на 12,4-9,8%; по ширине на 9,6-6,9%; по массе одной шишки на 22,9-19,0%. (табл. 5). Масса 1000 полнозернистых семян в фоновых условиях в 2005 г. была больше на 19-23,8%; в 2006г. – на 9,8-18,3%, чем возле автодороги. Среднее количество полнозернистых семян в одной шишке на контроле в 2005 г. оказалась больше на 44,8-22,9%, а в 2006 г. – на 29,9-14,5% по сравнению с придорожными участками.
Выбросы автомобильного транспорта оказали влияние на энергию прорастания и всхожесть семян. Оба этих показателя на контроле выше, чем у семян придорожных насаждений. Энергия прорастания семян на контроле в 2005 г. была на 6,2-23,7%; в 2006 г. на 5,4% больше чем на загрязненных участках, а абсолютная всхожесть соответственно на 5,5–17,3% в 2005г. и на 4,4-6,0% в 2006 г.
Таблица 5
Морфометрические показатели шишек и характеристики качества семян
сосны обыкновенной в 2005-2006 гг.
| Показатели | Расположение объектов относительно дороги | |||||
| подветренная сторона | наветренная сторона | контроль | ||||
| 2005г. | 2006г. | 2005г. | 2006г. | 2005г. | 2006г. | |
| Морфометрические показатели шишек | ||||||
| Количество измерений, шт. | 107 | 93 | 118 | 92 | 102 | 106 |
| Средняя длина шишки, мм | 37,5 | 37,8 | 39,1 | 38,7 | 42,6 | 42,5 |
| Средняя ширина шишки, мм | 18,3 | 19,7 | 18,8 | 20,2 | 21,3 | 21,6 |
| Средняя масса одной шишки, г | 5,1 | 6,1 | 5,5 | 6,3 | 7,2 | 7,5 |
| Среднее число семян в одной шишке, шт. | 22,7 | 17,0 | 25,9 | 18,4 | 27,6 | 21,1 |
| Среднее число полнозернистых семян в одной шишке, шт. | 16,3 | 13,4 | 19,2 | 15,2 | 23,6 | 17,4 |
| Выход полнозернистых семян, % | 1,7 | 1,4 | 1,7 | 1,4 | 2,1 | 1,6 |
| Характеристики качества семян | ||||||
| Масса 1000 полнозернистых семян, г | 5,25 | 6,31 | 5,05 | 5,86 | 6,25 | 6,93 |
| Энергия прорастания, % | 81,9 | 77,6 | 64,4 | 77,6 | 88,1 | 83,0 |
| Абсолютная всхожесть, % | 85,1 | 85,3 | 73,3 | 83,7 | 90,6 | 89,7 |
| Количество 6-9 -семядольных всходов, % | 55,7 | 36,2 | 57,0 | 28,5 | 77,7 | 50,1 |
Изучение наследственных свойств потомства методом ранней диагностики показало, что потомство деревьев сосны является неоднородным по числу семядолей (табл. 6).
Таблица 6
Структура потомства деревьев сосны обыкновенной
по числу семядолей
| Расположение объектов | Количество всходов,% | Распределение всходов по числу семядолей, % | |||||||
| 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 6-9 | ||
| Репродукция 2005 года | |||||||||
| Подветренная | 100 | 0,4 | 5,9 | 38,0 | 41,4 | 13,2 | 1,1 | - | 55,7 |
| Наветренная | 100 | 0,9 | 5,6 | 36,5 | 49,3 | 7,0 | 0,7 | - | 57,0 |
| Контроль | 100 | 3,2 | 19,1 | 53,0 | 19,2 | 4,7 | 0,8 | 77,7 | |
| Репродукция 2006 года | |||||||||
| Подветренная | 100 | 0,3 | 18,6 | 44,9 | 30,7 | 5,1 | 0,4 | - | 36,2 |
| Наветренная | 100 | 3,0 | 21,6 | 46,9 | 24,2 | 4,0 | 0,3 | - | 28,5 |
| Контроль | 100 | 0,8 | 15,4 | 33,7 | 38,4 | 10,6 | 1,1 | - | 50,1 |
Встречаются всходы с 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 семядолями. Основная масса потомства имеет 4-7 семядолей. Очень редко встречаются всходы с 2 и 9 семядолями и относительно редко – всходы с 3 семядолями.
Генетически более совершенными считаются всходы с 6-8 семядолями. Они обладают большей способностью к устойчивому проявлению повышенной охвоенности, имеют лучше развитую проводящую систему корня и смолоносную систему, значительно превосходят по росту остальные особи (Попов, Жариков, 1978; Попов и др., 2002). Поэтому важное значение имеет представленность в потомстве популяций сосны растений с 6-8 семядолями (Попов, 1997). В потомстве деревьев с контрольных участков их оказалось в 2005 г. на 22,0-20,7%; в 2006 г. на 13,9-21,6% больше, чем в потомстве придорожных сосновых насаждений.
Процесс естественного возобновления древостоя, является главным фактором нормального функционирования лесного массива, а его нарушение влечёт за собой преобразование всего биоценоза (Черненькова, 2004). Возобновление можно рассматривать как обновление древостоя. По этой
причине количество и качество подроста имеет довольно существенное значение (Львов и др, 1980). В разных условиях техногенного влияния количество подроста в сосновых насаждениях подвержено колебаниям (табл. 7).
Таблица 7
Количество подроста на пробных площадях
| Тип леса | Интенсивность движения, авт./ сут. | Порода | Количество подроста, шт./ га | |
| придорожные насаждения | контрольные насаждения | |||
| Сосняк черничный | 8300 | Е | 1600 | 2300 |
| С | 500 | 750 | ||
| Б | 1000 | - | ||
| Сосняк лишайниковый | 5600 | С | 2250 | 3000 |
| Сосняк кустарничково-сфагновый | 5600 | С | 3400 | 4300 |
| Б | 400 | 200 | ||
| Сосняк папоротниково-кисличный | 3200 | Е | 1800 | 2250 |
| Б | 500 | 350 | ||
| Сосняк брусничный | 2500 | С | 1750 | 2250 |
| Б | 300 | - | ||
| Сосняк брусничный | 800 | Е | 4250 | 5000 |
| С | 350 | 400 | ||
| Б | 500 | - | ||
На придорожных участках количество подроста сокращается и ухудшается его состояние по сравнению с фоновыми насаждениями. Причём, с увеличением интенсивности движения транспорта этот процесс усиливается. При интенсивности движения около 8 тыс. автомобилей в сутки различие по количеству подроста между загрязненными и фоновыми участками составило 43,7%, а при интенсивности движения 800 автомобилей в сутки – 17,5%.
Возобновление хвойных пород под пологом придорожных насаждений в целом ослаблено. Более успешно оно происходит в сосняках, произрастающих возле дорог с низкой интенсивностью движения (800 авт./сут.), где его насчитывается до 5000 шт./га.
Автомобильные выбросы оказывают отрицательное влияние на состояние и рост соснового подроста. Под пологом придорожных насаждений и на контроле среди подроста близкого возраста заметно выражена
дифференциация деревцев: по высоте, толщине, охвоению и жизненному состоянию. В условиях атмосферного загрязнения в первую очередь
происходит угнетение ростовых процессов дерева (рис. 2).
Рис. 2. Динамика роста молодого поколения сосны обыкновенной в разных условиях техногенного стресса: а – подветренная сторона дороги,
б – наветренная сторона дороги, в – контроль
С удалением от автомагистрали наблюдается увеличение морфометрических показателей, характеризующих сосновый подрост. Так, в фоновых условиях средние показатели подроста превзошли соответствующие на придорожных участках по высоте на 28,5-38,9%, по диаметру у шейки корня – на 25,8-26,8%, по протяженности кроны на – 38,3-48,7%, по диаметру кроны – на 23,1-31,0% (Поташева, 2008). Средний прирост в высоту на загрязненных территориях составил 6,4-7,0 см, а на контроле – 9,7 см в год. В насаждениях, подверженных воздействию эмиссий, подрост отстает в росте в течение последних одиннадцати лет. Текущий прирост за весь этот период был ниже контрольных значений. Вблизи источника загрязнения отмечалось значительное угнетение подроста сосны. Доля участия здоровых экземпляров здесь колебалась от 62,8% до 63,4%, ослабленных особей – от 37,2 до 36,6%. На контроле количество здорового подроста составило 84,6%, а ослабленных растений – 15,4%.
В качестве диагностических признаков, характеризующих состояние соснового подроста, использовали длину и продолжительность жизни хвои (табл. 8). Результаты исследований показали, что размеры хвои также зависят от степени техногенной нагрузки. Средняя длина однолетней хвои в
придорожных насаждениях равна 3,75 и 3,87 см; двухлетней – 3,58 и 3,72 см; трёхлетней – 4,05 и 4,14 см; четырёхлетней – 3,48 и 3,90 см, на контроле эти показатели были равны: 4,72; 4,45; 4,63; 4,38 см. Достоверность
различия средних значений характерна для одно-, двух-, трёхлетней хвои (при Р=0,999; tф>tst), исключение составила четырёхлетняя хвоя.
Таблица 8
Средние показатели длины хвои и продолжительности её жизни
у соснового подроста
| Категории состояния подроста | Средние показатели длины хвои, см | Продолжительность жизни хвои, лет | |||
| возраст хвои, лет / год её образования | |||||
| _1_ 2006 | _2_ 2005 | _3_ 2004 | _4_ 2003 | ||
| Подветренная сторона дороги | |||||
| Здоровый | 3,91 ± 0,08 | 3,79 ± 0,11 | 4,17 ± 0,10 | 3,73 ± 0,02 | 3,80 ± 0,06 |
| Ослабленный | 3,48 ± 0,12 | 3,22 ± 0,11 | 3,77 ± 0,12 | 3,10 ± 0,52 | 3,61 ± 0,09 |
| Средние | 3,75 ± 0,07 | 3,58 ± 0,09 | 4,05 ± 0,08 | 3,48 ± 0,22 | 3,73 ± 0,05 |
| Наветренная сторона дороги | |||||
| Здоровый | 4,00 ± 0,07 | 3,87 ± 0,08 | 4,28 ± 0,11 | 3,90 ± 0,17 | 3,76 ± 0,05 |
| Ослабленный | 3,65 ± 0,10 | 3,45 ± 0,12 | 3,82 ± 0,17 | – | 3,44 ± 0,09 |
| Средние | 3,87 ± 0,06 | 3,72 ± 0,07 | 4,14 ± 0,10 | 3,90 ± 0,17 | 3,64 ± 0,05 |
| Контроль | |||||
| Здоровый | 4,81 ± 0,10 | 4,49 ± 0,09 | 4,71 ± 0,09 | 4,38 ± 0,25 | 4,02 ± 0,03 |
| Ослабленный | 4,21 ± 0,21 | 4,19 ± 0,22 | 4,17 ± 0,21 | – | 3,83 ± 0,09 |
| Средние | 4,72 ± 0,09 | 4,45 ± 0,08 | 4,63 ± 0,09 | 4,38 ± 0,25 | 3,99 ± 0,03 |
Одним из проявлений угнетающего действия автомобильных выбросов на растения является снижение продолжительности жизни хвои. По нашим наблюдениям, предельная продолжительность жизни хвои у подроста достигает шести лет. Особи с шестилетней хвоей были отмечены на контрольных участках. В то же время, в условиях загрязнения воздуха автотранспортом продолжительность жизни хвои молодого поколения не превышала 4-5 лет.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
На основе проведенных исследований можно сформулировать следующие основные выводы и предложения:
- Придорожные сосновые насаждения испытывают негативное аэротехногенное воздействие. В зоне распределения атмосферных выбросов автомобильного транспорта происходит изменение экологической структуры насаждений. Отмечается уменьшение доли здоровых деревьев в 1,2-
1,5 раза и увеличение доли деревьев с разной степенью повреждения в 1,2-1,3 раза.
- Длина потёка живицы зависит от состояния дерева. Между этими показателями выявлена обратная связь от умеренной (r= -0,43) до значительной (r= -0,67). Метод диагностики жизненного состояния деревьев по длине потёка живицы можно использовать при мониторинге придорожных сосновых насаждений.
- Возле автомобильных дорог происходит накопление загрязняющих веществ в хвое сосны. По величине депонирования тяжёлых металлов в ассимиляционном аппарате образуется следующий ряд: Zn > Cu > Pb > Cd. В хвое придорожных насаждений наблюдается повышенное содержание фитотоксикантов (свинца и кадмия) по сравнению с фоновыми условиями.
- С увеличением расстояния от дороги концентрация загрязнителей постепенно снижается и приближается к условно-фоновым значениям. Это подтверждается наличием высоких уровней корреляционных связей (r = от -0,77 до -0,84).
- Наибольшую аэротехногенную нагрузку испытывают насаждения, произрастающие с наветренной стороны дороги.
- Участие в составе древостоев лиственных пород снижает концентрацию загрязнителей: свинца на 10,2%, кадмия на 11,6%, цинка на 4,4%, меди на 3,8%. Поэтому при проведении рубок ухода здоровые деревья и подрост лиственных пород следует сохранять и постепенно формировать из них буферные опушки.
- Под действием поллютантов происходит уменьшение морфометрических показателей хвои: длины, общей поверхности и абсолютно-сухой массы. Увеличивается количество повреждённой хвои и сокращается продолжительность её жизни.
- Выбросы автомобильного транспорта негативно влияют на размеры шишек, качественные показатели семян и производимое потомство.
- Возобновление хвойных пород под пологом придорожных насаждений в целом ослаблено. Более успешно оно происходит в сосняках, произрастающих на участках возле дорог с низкой интенсивностью движения.
- Техногенное загрязнение отрицательно воздействует на состояние и рост соснового подроста. Угнетаются ростовые процессы у деревьев, уменьшается длина хвои и сокращается продолжительность её жизни.
Список работ по теме диссертации
- Тутыгин, Г.С. Состояние ассимиляционного аппарата сосны в придорожных насаждениях [Текст] / Г.С. Тутыгин, Ю.И. Поташева // Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера: Материалы междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 75-летию АЛТИ-АГТУ. – Архангельск, 2004. – Т.1. – С.49-51.
- Поташева, Ю.И. Влияние выбросов автомобильного транспорта на состояние сосновых насаждений [Текст] / Ю.И. Поташева // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. науч. трудов. – Архангельск, 2006. – Вып. №64. – С.189-194.
- Поташева, Ю.И. Изменчивость длины потёка живицы в зависимости от состояния деревьев в условиях атмосферного загрязнения [Текст] / Ю.И. Поташева, В.В. Петрик, М.А. Быкова // Экологические проблемы Севера: Межвуз. сб. науч. трудов. – Архангельск, 2006. – Вып. №9.– С.13-15.
- Поташева, Ю.И. Оценка морфометрических показателей шишек и наследственных свойств потомства придорожных сосновых насаждений [Текст] / Ю.И. Поташева // Биоразнообразие, охрана и рациональное использование растительных ресурсов Севера: Материалы XI Перфильевских науч. чтений, посвящ. 125-летию со дня рождения Ивана Александровича Перфильева (23-25 мая 2007 г.). – Архангельск, 2007. – Ч.2 – С.146-149.
- Поташева, Ю.И. Содержание тяжёлых металлов в хвое сосновых насаждений, находящихся под воздействием выбросов автомобильного транспорта [Текст] / Ю.И. Поташева // Изв. высш. учеб. заведений. Лесной журнал. – 2008. – №2. – С.26-29.
- Поташева, Ю.И. Рост и развитие соснового подроста в условиях техногенного стресса [Текст] / Ю.И. Поташева // Экологические проблемы Севера: Межвуз. сб. науч. трудов – Архангельск, 2008. – Вып. №11. – С.65-68.
