Сосновые экосистемы в условиях аэротехногенного загрязнения, их сохранение и реабилитация
На правах рукописи
МАРТЫНЮК АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ
СОСНОВЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ
АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ,
ИХ СОХРАНЕНИЕ И РЕАБИЛИТАЦИЯ
06.03.03 – Лесоведение и лесоводство,
лесные пожары и борьба с ними
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора сельскохозяйственных наук
Москва
2009
Диссертация выполнена в Федеральном государственном учреждении
«Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства»
| Официальные оппоненты: | доктор сельскохозяйственных наук, профессор Обыденников Виктор Иванович доктор биологических наук, профессор Николаевский Владимир Серафимович доктор сельскохозяйственных наук, профессор Цветков Василий Фролович |
| Ведущая организация: | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный лесотехнический университет» |
Защита состоится ____ ___________________ в ____ часов на заседании диссертационного совета _____________ при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005 г. Мытищи – 5 Московской области, Московский государственный университет леса
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса»
Автореферат разослан « ____» ___________________
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Ф.А. Никитин
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Проблема промышленных эмиссий и повышения устойчивости лесов к техногенному загрязнению является чрезвычайно важной в контексте глобальной и локальной экологической политики. Ослабление лесов вокруг промышленных центров, возникшее в 80-90-х годах прошлого века, отмечается по настоящее время, а среднемноголетняя ежегодная гибель лесов от промышленных выбросов в России составляет около 20 тыс. га (5,7 % от общего усыхания насаждений). Общая площадь лесов в нашей стране, подверженных воздействию промышленных выбросов, достигает 1,3 млн. га, из них доля насаждений с необратимыми и сильными повреждениями составляет 15-20 % [Гитарский, 2007]. При этом площадь ареалов техногенно-загрязненных земель вокруг промышленных объектов отмечается на территории всех федеральных округов и составляет около 18 млн. га [Большаков, 2006, О состоянии…, 2006].
В настоящее время в лесном отечественном законодательстве обращено внимание на проблемы загрязнения лесов (статья 51 Лесного кодекса Российской Федерации предусматривает охрану лесов от загрязнения; статья 55 – проведение санитарно-оздоровительных мероприятий, включая «очистку лесов от загрязнения»). Решение вопросов, связанных с предупреждением повреждения лесов техногенными загрязнениями и их реабилитацией, включено в состав подзаконных актов, регламентирующих разработку лесных планов субъекта Российской Федерации, инвентаризации и мониторинга лесов. В связи с этим, актуальны исследования по выявлению закономерностей влияния химических веществ на лесные экосистемы, развитию методов диагностики и комплексного мониторинга лесов при различных видах техногенного воздействия, научному обоснованию системы комплексных мероприятий по повышению устойчивости лесов в условиях техногенеза, взаимоувязанной с формирующимися новыми отношениями в лесном хозяйстве.
Цель и задачи исследований. Цель исследований состояла в разработке научно обоснованной системы мероприятий по сохранению, повышению устойчивости и реабилитации поврежденных промышленными выбросами сосновых лесов с учетом закономерностей процесса загрязнения и динамики экосистем в условиях аэротехногенного воздействия различной интенсивности.
Достижение поставленной цели осуществлялось решением следующих задач:
установить основные закономерности процесса загрязнения лесных экосистем промышленными выбросами;
исследовать реакции деревьев и древостоев сосны на действие выбросов и обосновать методологию оценки состояния сосняков в условиях промышленного загрязнения среды;
установить закономерности пространственного изменения сосновых насаждений под влиянием выбросов, разработать технологию наземного обследования и зонирования лесов по степени их ослабления;
изучить особенности роста и производительности сосновых насаждений, строения и формирования их надземной фитомассы и годичной продукции в условиях воздействия промышленных выбросов;
дать оценку сукцессионной динамике сосняков и изменению их восстановительного потенциала под действием промышленного загрязнения;
разработать основные принципы экологического нормирования аэротехногенного воздействия на леса и методологические подходы к определению допустимого уровня загрязнения атмосферы и почв лесных насаждений, а также техногенных выпадений на лесные экосистемы;
изучить влияние кислотных осадков на сосновые экосистемы и установить величины предельно допустимых нагрузок кислотообразующих соединений серы и азота для сосняков зоны хвойно-широколиственных лесов;
провести анализ и обобщить результаты собственных и привлеченных научных исследований для совершенствования лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение устойчивости и реабилитацию насаждений в очагах поражения лесов промышленными выбросами.
Научная новизна. Установлены закономерности полиэлементного загрязнения сосновых экосистем вокруг источников промышленных выбросов.
Выявлены особенности реакции ассимиляционных органов сосны на загрязнение, обоснованы критерии и методика оценки состояния сосняков, подверженных воздействию промышленных выбросов. Разработаны теоретические основы и система комплексного мониторинга лесов в условиях воздействия выбросов, сформулировано понятие очагов поражения лесов выбросами и создана их оригинальная классификация.
Установлены закономерности изменения роста деревьев, динамики таксационных показателей древостоев, формирования их надземной фитомассы, ее фракционного состава и годичной продукции под влиянием промышленного загрязнения.
Разработаны основные принципы и методология экологического нормирования аэротехногенного воздействия на леса, включая нормирование загрязнения атмосферного воздуха и лесных почв, воздействия кислотных осадков, техногенных выпадений в лесных экосистемах.
Предложены общая стратегия и основные принципы системы ведения лесного хозяйства в различных типах очагов поражения сосновых насаждений промышленными выбросами, обеспечивающие повышение устойчивости и реабилитацию ослабленных лесов.
Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Результаты исследований автора использованы при: обследовании и оценке ослабленных промышленными выбросами насаждений и комплексном мониторинге лесов в Московской, Нижегородской, Новгородской областях и музее-заповеднике Л.Н. Толстого «Ясная Поляна»; разработке проектов организации лесного хозяйства в Дзержинском лесхозе и лесхозе ЗАТО «Арзамас-16»; оценке воздействия промышленных объектов на леса (карьеров по добыче фосфоритов в Воскресенском районе Московской обл., реконструкции цеха целлюлозы Братского ЛПК, Новгородской ГРЭС, Московского коксогазового завода, полигонов фосфогипса Воскресенского комбината минеральных удобрений); разработке экологических паспортов Воскресенского и Егорьевского районов Московской обл., рабочих проектов по лесобиологической рекультивации полигонов фосфогипса и отходов производства асбоцементного комбината г. Воскресенска Московской обл.; эколого-геохимической оценке загрязнения г. Дзержинска Нижегородской обл. и прилегающих территорий; внедрении технологии лесобиологической рекультивации полигонов фосфогипса в Воскресенском районе Московской обл. (патент РФ № 2186474, зарегистрирован в госреестре изобретений Российской Федерации 10.08.2002 г.).
Материалы диссертации использованы также при подготовке 8 нормативных технических документов, одобренных секциями НТС министерств и ведомств; материалов к ежегодным государственным докладам МПР России «О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации», экспертных заключений по переводу лесных земель в нелесные.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов подтверждается анализом многолетних репрезентативных данных, полученных с использованием научно-обоснованных методик исследований и апробированного приборного оборудования; применением современных математических методов, компьютерных технологий и пакетов прикладных программ обработки экспериментального материала, опытно-производственной проверкой полученных результатов и разработанных регламентирующих документов.
Личный вклад автора в полученные результаты. В основу диссертационной работы положены результаты 25-летних исследований, выполненных во ВНИИЛМ в составе научной тематики Гослесхоза СССР, Госкомлеса СССР, Рослесхоза, МПР России, Минпромнауки России лично автором, с его непосредственным участием или под его научным руководством. В качестве научного руководителя и ответственного исполнителя работ автор самостоятельно осуществлял постановку целей и задач исследований, выбор объектов, разработку программы и методики, обобщение, анализ и интерпретацию результатов исследований.
На защиту выносятся:
- методы оценки уровня аэрального загрязнения лесов с использованием показателя дозовой нагрузки, вычисляемого как произведение измеренной подфакельной концентрации токсиканта и продолжительности ветров, дующих от источника выбросов в точку измерения, а также суммарного показателя загрязнения, определяемого в снеговом покрове или лесной подстилке;
- закономерности трансформации загрязняющих веществ и изменения уровней техногенных нагрузок в лесных экосистемах;
- комплекс показателей для оценки степени ослабления сосновых насаждений промышленными выбросами и методика их применения;
- направленность обменных процессов у деревьев сосны на поддержание работоспособности фотосинтезирующих органов в ущерб приросту древесины как общая защитная реакция на аэротехногенное воздействие;
- теоретически и экспериментально обоснованная система мероприятий по сохранению и реабилитации лесов в условиях аэротехногенного загрязнения;
- принципы экологического нормирования аэротехногенного воздействия на лесные экосистемы, предусматривающие необходимость учета реакции наиболее чувствительных видов лесных растений или сообществ в естественных условиях местопроизрастания, зонально- типологических особенностей реакции лесов, изменчивости загрязнения атмосферы вокруг источника выбросов и их многокомпонентного состава.
Апробация работы. Основные теоретические положения работы и результаты исследований опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, монографиях автора и докладывались на научно-технических конференциях молодых ученых ВНИИЛМ (1983, 1984, 1985, 1986), совещании «Влияние промышленного загрязнения на лесные экосистемы и мероприятия по повышению их устойчивости» (Литва, Каунас, 1984), научной конференции «Мониторинг лесных экосистем» (Литва, Каунас, 1986), международной конференции «Повреждение и восстановление лесов: глобальные и региональные последствия» (Польша, Краков, 1987), конференции «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (Мытищи, МГУЛ, 1987), международной конференции «Ecological monitoring in forestry» (Усти над Лабой, ИЮФРО, 1989), всесоюзной научной конференции «Растения и промышленная среда» (Днепропетровск, 1990), 2-й всесоюзной научной конференции «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (Мытищи, МГУЛ, 1990), совещании «Леса Русской равнины» (Москва, МИЛ РАН, 1993), научно-технической конференции «Охрана лесной экосистемы и рациональное использование лесных ресурсов» (Мытищи, МГУЛ, 1994), всероссийской конференции «Антропогенное изменение почв Севера в индустриально развитых регионах» (Апатиты, Кольский НЦ РАН, 1995), международной научной конференции к 285-летию со дня рождения М. В. Ломоносова (Архангельск, Архангельский центр РГО РАН,1996), международной научной конференции «Влияние атмосферного загрязнения, антропогенных и других природных факторов на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Европы» (Мытищи, МГУЛ, 1996), всероссийском совещании «Устойчивое управление лесами и сохранение биологического разнообразия» (Пушкино, ВНИИЛМ, 1997), научной конференции «Лесная наука на рубеже ХХI века» (Беларусь, Гомель, Институт леса Беларуси, 1997), научной конференции «Проблемы лесоведения и лесоводства» (Беларусь, Гомель, Институт леса Беларуси, 2001), международной научной конференции «Мониторинг и состояние лесных и урбоэкосистем» (Мытищи, МГУЛ, 2002), международной конференции «Forests in transition II: Challenges in Strengthening of Capacities for Forest Policy Development in Countries with Economies in Transition» (Сербия и Черногория, Белград, 2004), I-м конгрессе защиты растений «Environmental concern and food safety» (Македония, Охрид, 2005), международной конференции «Biological methods in Integrated Plant Protection and Production» (Польша, Познань, 2006); заседаниях подсекции по защите леса НТС Госкомлеса СССР (1987-1990) и Рослесхоза (1992-2001). Система мероприятий по сохранению, повышению устойчивости и реабилитации лесов к промышленному загрязнению экспонировалась на международной выставке «Леспромбизнес – 2001» (Москва), выставках к коллегии МПР России (Москва, 2003), встрече Президента Российской Федерации с работниками лесного комплекса (Сыктывкар, 2006). Разработки в области экологического нормирования техногенного воздействия на леса удостоены диплома 8-й Международной специализированной выставки-ярмарки лесопродукции, машин, оборудования и материалов для лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности (Москва, 2006 г.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 67 научных работ, в том числе 3 монографии, 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертаций, 1 учебное пособие.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 399 наименований, в том числе 64 иностранных. Работа изложена на 380 стр., иллюстрирована 93 таблицами и 46 рисунками, имеет 2 приложения на 16 страницах.
1. Состояние вопроса. научно-методические основы исследований и объекты экспериментальных работ
Многочисленные работы по изучению воздействия загрязнителей на лесные экосистемы и ландшафты, включая накопление, миграцию и трансформацию токсикантов различными компонентами экосистем, изменение лесорастительных условий, видового состава, строения, роста, продуктивности и состояния лесных сообществ под влиянием загрязнения [Глазовская, 1964, 1988; Дончева, 1978; Добровольский, 1978; Кулагин, 1980; Алексеев, Дочинжер, 1981; Смит, 1985; Влияние промышленного.., 1990; Лукина, Никонов, 1991, 1993,1998; Соколова, Дронова, 1993; Ворон, Стельмахова, Коваль, 2000; Цветков, Цветков, 2003 и др.] позволили сформировать научные подходы к оценке динамики состояния лесов при аэротехногенном загрязнении, их естественного восстановительного потенциала, прогнозу возможной смены пород и последствий техногенной деградации лесных сообществ.
При изучении разносторонних эффектов влияния загрязняющих веществ техногенного происхождения на растительные организмы и сообщества были установлены механизмы их воздействия на растения, разработаны многие аспекты теории газоустойчивости растений и научно обоснованные ассортименты древесных и кустарниковых пород, устойчивых к фитотоксикантам [Красинский, 1950; Негруцкая, 1970; Илькун, 1971, 1978; Кулагин, 1974, 1980; Тарабрин, 1974; Добровольский, 1978; Николаевский, 1979; Антипов, 1979; Ботпанаева, 1981; Барахтенова, 1988; Рожков, Михайлова, 1989; Гетко, 1989; Бабушкина и др., 1993; Кравкина, 1993; Тарбаева, Ладанова, 1994; Сергейчик, 2001; Чернышенко, 2001; Kozlovski, Constantinidou, 1986 и др.].
Создана теоретическая база практических рекомендации по биодиагностике уровней загрязнения среды, оценки состояния лесных экосистем в условиях техногенеза, комплексного мониторинга лесов и картирования загрязненных территорий [Дончева, 1978; Гудериан, 1979; Григорьева, Новикова, 1980; Кулагин, 1980; Алексеев, 1982, 1989; Протопопов и др., 1990; Горшков, 1991; Цветков, 1991; Черненькова, 1992; Бязров, 1993, 1994; Ковалев, 1994; Мозолевская, 1995; Жидков, 1995; Николаевский, Николаевская, 1995; Николаевский, 1998; Голубева, 1999; Knabe, 1981; Manual.., 1987 и др.]. Значительная часть работ выполнена в сосновых экосистемах.
Несмотря на существенную научную проработку проблемы взаимодействия лесных экосистем и атмосферных загрязнителей, остались не до конца выясненными закономерности пространственного распределения выбрасываемых химических компонентов в различных элементах лесных экосистем, вопросы оценки степени загрязнения лесов многокомпонентными выбросами и связи состояния насаждений с уровнем содержания техногенных веществ. В условиях промышленного воздействия требуют унификации технология определения состояния лесов, критерии и индикаторы диагностики жизнестойкости деревьев и древостоев, система комплексного мониторинга лесов, включающая не только наблюдения за биологической составляющей, но и факторами техногенного воздействия.
В целях снижения ущерба лесам от промышленного загрязнения были разработаны методологические основы и технологии нормирования фитотоксичных веществ, нормативы их допустимого воздействия на лесные растения и экосистемы [Николаевский, 1979, 1993; Серебрякова, 1980; Обухов, 1992; Воробейчик, Садыков, Фарафонов, 1994; Алексеев, 1994; Михайлова, 1997; Prinz, Brandt, 1982; Resolution.., 1979; Air..., 1985; Sverdrup e.a., 1992 и др.]. Для отдельных лесных территорий предложены практические рекомендации по повышению устойчивости поврежденных выбросами насаждений [Влияние промышленного…, 1981; Капралов, 1981; Тарасенко, 1991; Петров, 1993; Коженков, 1993; Кирейчева, Глазунова, 1995; Коровин и др., 2003; Keller, Matyssek, 1990; Podrazsky,1995 и др.]. Вместе с тем, комплексной системы мероприятий по сохранению лесов, повышению их устойчивости и реабилитации в условиях аэротехногенного воздействия до настоящего времени не создано.
Основная часть диссертационных исследований проведена в Нижегородской обл. на Дзержинском экологическом стационаре ВНИИЛМ (Дзержинский, Балахнинский и Затонский лесхозы) в сосняках брусничных и зеленомошно-лишайниковых разных возрастных групп. Основное влияние на состояние лесных насаждений Дзержинского и части Балахнинского лесхозов оказывают предприятия химической промышленности с объемом выбросов 60-150 тыс. т/год. В Московской обл. в качестве объектов исследований служили сосняки зеленомошно-лишайниковые, сложные и разнотравные, произрастающие на территории Виноградовского, Куровского и Егорьевского лесхозов, которые подвержены воздействию выбросов предприятий химической и строительной промышленности (около 40 тыс. т/год) при доминировании в составе твердых компонентов и диоксида серы. Изучаемые насаждения в районе г. Братска Иркутской области (молодняки, спелые, перестойные сосняки и производные насаждения в разнотравных типах леса) подвергались выбросам предприятий по производству алюминия и лесопромышленного комплекса (твердые и газообразные фтористые соединения, диоксид серы, оксиды азота и сероводород) с годовым объемом более 200 тыс. т.
Методика работ предусматривала комплекс полевых и лабораторных методов биогеоценологических и лесоводственно – таксационных [Сукачев, Зонн, 1961; Молчанов, Смирнов, 1966; Воронков, 1973; Абатуров, Матвеева, 1974; Семечкина, 1978; Лиепа, 1980; Уткин, 1982 и др.], почвенно-экологических [Аринушкина, 1970; Сердюкова, Ромашкевич, 1983 и др.], физиолого- биохимических [Годнев, 1968; Большой практикум…, 1978; Николаевский, 1979 и др.] и аэро- гидрохимических [Дроздова и др.,1964; Новиков и др., 1990 и др.] исследований.
Обработка полученных данных проводилась методами дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов [Свалов, 1977; Никитин, Швиденко, 1978 и др.] с использованием современных компьютерных средств.
Для обоснования результатов исследований и выводов в диссертации использованы данные обследования состояния лесов на площади около 100 тыс. га, 117 постоянных и временных пробных площадей, на которых были установлены таксационные параметры и состояние у 20 тыс. деревьев, изучен ход роста 150 и надземная фитомасса 110 модельных деревьев, проведено около 50 тыс. измерений длины хвои и побегов и 2500 кернов древесины, определений влажности 15 тыс. почвенных и растительных образцов. Закономерности взаимодействия загрязнителей и лесных экосистем установлены на основе изучения химического состава 2300 образцов воздуха, снега, почв, лесной подстилки, хвои, дождевых и лизиметрических вод, в которых выполнено около 20 тыс. определений содержания токсических веществ, элементов минерального питания и физиологических показателей. В целях изучения влияния кислотности осадков и тяжелых металлов на сосну обыкновенную проведено около 70 вариантов долговременных лабораторных и полевых экспериментов.
2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ВЫБРОСАМИ
Проведенные экспериментальные измерения содержания техногенных примесей в атмосферном воздухе лесных массивов, а также анализ загрязненности воздуха на постах контроля Роскомгидромета позволили обосновать метод определения уровня атмосферного воздействия для каждого лесного участка через дозовую нагрузку фитотоксиканта, которая определяется как произведение концентрации на время продолжительности воздействия:
DN = cм t, (2.1)
где см – максимальная (подфакельная) концентрация фитотоксиканта в точке измерений, мг/м3;
t – время действия фитотоксиканта за определенный период, вычисленное через продолжительность ветров, дующих от источника выбросов в точку измерения, час.
Показатель дозовой нагрузки позволяет комплексно оценивать уровень загрязнения лесов, так как учитывает и концентрацию фитотоксичного вещества, и продолжительность его действия на растения.
Для сравнения режима загрязнения лесов на разных объектах предложено использовать индекс суммарной дозовой нагрузки (IDN ), учитывающий относительную фитотоксичность загрязнителей :
, (2.2)
где : DNi – дозовая нагрузка фитотоксиканта, рассчитанная для конкретного направления или участка насаждений через среднюю подфакельную концентрацию i-го вещества и продолжительность ее действия;
kiфт – коэффициент фитотоксичности i-го вещества по отношению к диоксиду серы (в диссертации приводится его обоснование).
Сравнение загрязнения атмосферного воздуха над лесными массивами на объектах исследований показывает, что индексы суммарной дозовой нагрузки примесей закономерно возрастают от Воскресенского стационара до Братского промрайона, согласуясь с площадью повреждения насаждений (табл. 1).
Таблица 1
Сравнительная оценка уровня загрязнения воздуха в направлении преобладающих ветров над лесными насаждениями на объектах исследований
| № п/п | Объект исследований | Площадь ослабленных лесов, | IDN на разном удалении от предприятий | ||
| тыс. га | 2-4 км | 6-10 км | >20 км | ||
| 1 | Воскресенский стационар | 0,3 | 357 | 349 | 412 |
| 2 | Дзержинский стационар | 14 | 724 | 519 | 462 |
| 3 | Братский промрайон | 111 | 1585 | 910 | - |
Исследованиями установлено, что выбросы химических и цементных предприятий г. Воскресенска приводят к большей подщелачиваемости (от 5,8 до 9,2 рН) снега, чем Дзержинского промышленного комплекса. В связи с высокой долей пылевых выбросов здесь существенно повышается содержание нерастворимой фракции в снежном покрове (до 73 % в составе среднестатистической пробы снега), тяжелых металлов (в 4 раза выше, чем на Дзержинском стационаре) и, как следствие, на 20 % увеличивается суммарное поступление техногенных веществ в лесные насаждения.
Большая часть изученных загрязнителей, поступающих с промышленными выбросами, накапливается преимущественно в лесной подстилке (для условий Дзержинского стационара среднее содержание ванадия в подстилке в 12 раз выше, чем в почве; ртути – в 8 раз; свинца – в 4 раза; цинка – в 2,7; меди – в 2,3; стронция – в 2; никеля – в 1,8; фтора – в 1,6 и бериллия – в 1,2 раза, что свидетельствует о ее высокой поглотительной способности и важной экологической роли в условиях загрязнения. Среднее содержание кислоторастворимого фтора в лесной подстилке насаждений, произрастающих в зоне воздействия промышленных предприятий г. Братска, в 3 раза выше, чем в верхнем слое почвы.
В условиях компактного расположения предприятий по отношению к лесным массивам (Дзержинский стационар), связь расстояния от источников выбросов с концентрацией примесей в снегу, лесной подстилке, почве и хвое однозначно характеризуется отрицательным знаком, то есть с увеличением расстояния содержание веществ закономерно снижается. Вместе с тем, величины коэффициентов корреляции между концентрацией загрязнителей и расстоянием к источнику выбросов невысокие и не превышают 0,5; наибольшие значения характерны для лесной подстилки, наименьшие – для почвы. При наличии многих источников с разными объемами выбросов, расположенных среди лесных массивов (Воскресенский стационар), концентрации некоторых примесей в снегу (плотный остаток, фториды, нитраты, калий, большинство тяжелых металлов) имеют более тесную связь с расстоянием к основным источникам выбросов. Концентрации других соединений (хлориды, сульфаты, аммоний, натрий, никель) больше связаны с близко расположенными («местными») источниками загрязнения. В таких условиях величина и знак коэффициентов корреляции варьируют в зависимости от химического элемента и компонента экосистемы.
Лесные насаждения существенно трансформируют химический состав техногенных выпадений, проникающих через их полог. В снегу под сосновыми насаждениями накапливается в 1,8 раза больше сульфатов, в 1,4 раза – хлоридов, в 1,3 раза – кальция и пылевых веществ, в 1,2 раза – аммонийного азота, чем на открытом месте. В спелых и перестойных насаждениях наблюдается устойчивая тенденция к повышению кислотности и содержания загрязнителей в снегу, почве и лесной подстилке в приствольном и подкроновом пространстве при сравнении с «окнами». Содержание сульфатной серы, нитратного и аммонийного азота, в природных осадках увеличивается по ряду: над кронами < в окнах< под подстилкой <под кронами < под эллювиальным горизонтами почв < в стволовом стоке. Максимальные техногенные нагрузки в лесных насаждениях создаются в подкроновом пространстве и, особенно, вокруг стволов деревьев.
С использованием суммарных показателей загрязнения Zc [Сает, Ревич, 1988] впервые для лесных территорий получены картосхемы загрязнения снегового покрова, почв, лесных подстилок и хвои сосны выбросами, позволяющие объективно сравнивать уровни загрязнения лесов на объектах исследований. Так, загрязнение снега в условиях Дзержинского стационара (рис.1) характеризуется как низкое с точки зрения санитарно-гигиенических требований [Методические …, 1987]. Суммарные показатели загрязнения снега в лесных насаждениях Воскресенского стационара выше и достигают в пределах территории лесного фонда Zc = 30 – 120, что объясняется более высоким поступлением химических загрязнителей, особенно твердой фракции, в лесные массивы за зимний период.
3. Биоморфологические реакции сосны обыкновенной на воздействие промышленного загрязнения
Исследованиями установлено изменение показателей состояния хвои сосны (цвет, величина хлорозов и некрозов, размеры, масса), продолжительности ее жизни и густоты охвоения побегов при хроническом воздействии промышленных выбросов. К наиболее информативным визуальным признакам повреждения деревьев сосны обыкновенной в таких условиях промышленного загрязнения относятся продолжительность жизни хвои и густота охвоения побегов хвоей старших возрастов, а наибольшее повреждение ассимиляционных органов наблюдается в верхних частях кроны деревьев I–II классов Крафта.
При остром поражении дополнительными показателями являются величина некрозов и изменение окраски хвои, которая происходит вследствие первоочередного сокращения в ней хлорофилла при сохранении каротина и ксантофилла.
Продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной как генотипический признак незначительно варьирует в насаждениях с различными условиями местопроизрастания в пределах одной географической территории вне зон воздействия промышленных выбросов (табл.2). Это чрезвычайно важно для мониторинга состояния сосновых лесов в условиях аэротехногенного загрязнения, так как через срок жизни хвои можно характеризовать состояния деревьев независимо от их возраста и типов леса.
Таблица 2
Продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной в различных типах условий местопроизрастания за пределами зоны воздействия промышленных выбросов
| №№ п/п | Район исследований | Тип леса (тип условий местопроизрастания) | Продолжительность жизни хвои, лет |
| Молодняки, средневозрастные (30-50 лет) | |||
| 1 | Нижегородская обл., Затонский лесхоз | С. зеленомошно-лишайниковый (А2) | 4 |
| 2 | Нижегородская обл., Дзержинский лесхоз, Ильинское л-во | С. зеленомошниковый (В2) С. зеленомошниково-лишайниковый (А2) | 4 4 |
| 3 | Московская обл., Егорьевский лесхоз Куровской лесхоз | С. черничный (В2-С2) С. сложный с елью (С2) | 3(октябрь-ноябрь) 4 |
| 4 | Смоленская обл., Вяземский лесхоз | С. сложный (С2-3) С.сфагновый (С5) | 4-5 4, редко 5 |
| Приспевающие, спелые (70-100 лет) | |||
| 5 | Нижегородская обл., Затонский лесхоз | С.зеленомошниковый (А2) С. зеленомошниково-лишайниковый (А2) | 4, редко 5 4 |
| 6 | Московская обл., Егорьевский лесхоз, Куровской лесхоз, Истринский лесхоз | С. черничный (В2-С2) С. сложный с елью (С2) С. кисличник (С2) | 3-4 (октябрь) 3 (октябрь-ноябрь) 3-4 (октябрь) |
| 7 | Смоленская обл., Вяземский лесхоз | С.сфагновый (С5) | 4, редко 5 |
Под влиянием промышленных выбросов в насаждениях отмечаются более высокие темпы роста хвои в первой половине вегетационного периода и сниженные в его конце. В сильно ослабленных насаждениях ежегодная потеря хвои достигает 40 % от ее общей массы, снижаясь до 26 % у здоровых. При этом увеличивается интенсивность опада хвои, максимум которого приходится на осенний период. По мере приближения к источникам загрязнения масса годового опада хвои в 30-летних насаждениях возрастает с 12 до 16-18 ц/га, но на 20-25 % снижается интенсивность его минерализации, что приводит к повышению запасов лесной подстилки в ослабленных выбросами насаждениях на 4 т/га.
На основе установленных закономерностей реакции на воздействие промышленных выбросов разработана шкала визуальной оценки состояния сосны обыкновенной, поврежденной аэротехногенным загрязнением. Шкала предусматривает выделение категорий состояния деревьев по общей характеристике кроны, продолжительности жизни хвои и густоте охвоения побегов. Степень ослабления выбросами сосновых молодняков и средневозрастных древостоев рекомендуется определять с использованием предложенной шкалы путем расчета индексов (средней категории) состояния по визуальной оценке деревьев I-III классов Крафта. В приспевающих и спелых древостоях, имеющих менее выраженную естественную дифференциацию деревьев, индекс состояния целесообразно определять на основе оценки всех деревьев в насаждении.
4. Динамика состояния сосновых фитоценозов, подверженных воздействию промышленных выбросов
Пространственные характеристики поражения лесов определяются местоположением источников выбросов, химическим составом эмиссий и режимом их воздействия, природными особенностями территории (прежде всего, преобладающими ветрами и рельефом). Вокруг источников промышленного загрязнения предложено выделять 1) территории с повышенным содержанием химических веществ в компонентах лесных экосистем, но без видимых признаков ослабления древостоев и 2)территории с видимым поражением лесов – очаги поражения. Для характеристики степени повреждения лесов выбросами разработан комплекс признаков (химический и агрегатный состав эмиссий, площадь и интенсивность повреждения насаждений, их породный состав и др.), который позволяет классифицировать очаги поражения и в целом характеризовать состояние лесной растительности вокруг промышленных предприятий (табл.3).
Таблица 3
Классификационные признаки очагов поражения лесов выбросами промышленных предприятий
| Классификационные признаки | Характеристика признаков |
| Площадь очагов, в тыс. га | Очень мелкие – менее 1; мелкие – 1-10; средние – 10-50; крупные – 50-100; очень крупные – более 100 |
| Стадия развития очага | Начальная; развивающаяся (прогрессирующая); стабилизировавшаяся; сокращающаяся |
| Преобладающие насаждения | Хвойные (ель, сосна и др.); лиственные; смешанные (сосново- мягколиственные, елово- мягколиственные и т.п.) |
| Тип поражения | Острое; хроническое |
| Степень поражения | Слабая; средняя; сильная |
| Характеристика выбросов | Агрегатное состояние: газообразные, аэрозольные, пылевые и т.п.; Химический состав: фтористые, фтористо- сернистые, пыле-сернистые, сероорганические и т.п. |
Различия динамики состояния сосновых фитоценозов на воздействие промышленных выбросов рассмотрены нами на примере насаждений Дзержинского стационара (хроническое воздействие) и Братского промышленного района (острое воздействие).
На основе выполненных натурных обследований лесных насаждений установлена зависимость состояния древостоев сосны (ИС) от расстояния к источнику выбросов (L) в очагах поражения, которая для условий Дзержинского стационара выражается уравнениями ИС= 3,06 – 0,46 ln L (молодняки) и ИС= 2,77 – 0,44 ln L (приспевающие, спелые) при r = 0,85 – 0,86. Хроническое техногенное воздействие не приводит к перестройке структуры и существенному изменению видового состава коренных лесов; нарушению (изменение состояния, роста, видового состава и др.) подвергаются преимущественно компоненты отдельных ярусов насаждений.
При остром воздействии, в сочетании с интенсивным пирогенным фактором, происходит смена коренных сосновых сообществ через стадии производных смешанных насаждений и сосновых редин с формирующимся смешанным хвойно- лиственным ярусом, более устойчивыми кустарниковыми ценозами или техногенной пустошью.
Динамика фитоценозов в очагах поражения выбросами имеет следующие общие закономерности: зависимость состояния насаждений от характера загрязнения среды, инерционность отклика на воздействие токсикантов, перестройка структуры и состава нижних ярусов фитоценоза (подроста и подлеска, травяного и напочвенного покрова) по мере деградации эдификатора сообщества- древостоя.
Состояние сосновых лесов при хроническом воздействии, особенно на начальных стадиях их ослабления, коррелирует [r= - 0,71 – (- 0,73)] с проективным покрытием стволов деревьев эпифитной лихенофлорой. В молодняках проективное покрытие стволов лишайниками снижается с 7,6 % до полного отсутствия, в спелых сосняках – с 24,4 % до 0-3 %. Для оценки состояния эпифитной лихенофлоры предложено использовать индексы относительного обилия видов и относительного проективного покрытия стволов деревьев эпифитными лишайниками [Жидков, Мартынюк, 1994]. С учетом реакции эпифитных лишайников на техногенное воздействие разработана шкала оценки состояния сосняков, позволяющая уточнить характеристику здоровых насаждений. В категории ослабленных насаждений с помощью реакции эпифитной лихенофлоры выделяется три стадии – начальное, прогрессирующее и конечное повреждение. Для выявления первой и второй стадии более пригодны такие виды лишайников как Evernia mesomorpha и Hypogymnia physodes, третьей – только Hypogymnia physodes [Жидков, Мартынюк, 1995; Мартынюк, Жидков, 1996].
Динамика состояния сосновых древостоев связана с характером воздействия выбросов. При хроническом воздействии индекс состояния насаждений (средняя категория состояния), достигнув равновесия с уровнем загрязнения среды, изменяется в пределах 3,0-2,2 баллов в зоне среднего и 2,2-1,5 баллов слабого поражения для молодняков; для спелых и приспевающих – 2,3-1,8 баллов. Вблизи предприятий в молодняках отмечается увеличение старого сухостоя до 11,5 % при 8,1 % на контроле. Доля ежегодного усыхания деревьев в древостоях очага поражения выше, чем в фоновых условиях (3,0-3,9 % против 2,7 %). Изменение состояния древостоев во всех возрастных группах происходит за счет перераспределения соотношения здоровых, ослабленных и сильно ослабленных деревьев. Отпад в древостоях с хроническим поражением идет с небольшим участием деревьев I-II и III классов Крафта при доминировании экземпляров подчиненной части полога. Так, в молодняках на контроле за восемнадцатилетний период наблюдений в составе свежего и старого сухостоя полностью отсутствовали деревья I класса Крафта. В то же время, в зоне среднего поражения их доля достигает 8 и 7,3 %, слабого поражения – 4,4 и 2,7 % для свежего и старого сухостоя соответственно (табл. 4). В спелых и приспевающих древостоях, произрастающих вблизи промышленных предприятий, доля деревьев I-II классов Крафта в составе свежего сухостоя достигает 27 %, старого сухостоя – 22 %.
При остром воздействии интенсивность ухудшения состояния древостоев увеличивается в 5-7 раз по сравнению с контролем, а доля господствующих и согосподствующих деревьев (с более крупным диаметром) в составе усыхающих экземпляров и сухостоя значительно возрастает. В таких условиях продолжительность перехода слабо ослабленных древостоев в категорию сильно ослабленных составляет в среднем 4 года, сильно ослабленных в категорию усыхающих – 5 лет, усыхающих в категорию свежий сухостой – 2-8 лет.
Таблица 4
Распределение усыхающих деревьев и сухостоя по классам Крафта в молодняках сосны Дзержинского стационара (1983-2004 гг.)
| Категории состояния деревьев | Распределение деревьев разных категорий состояния по классам Крафта | ||||||
| I | II | III | IV | V | Итого | ||
| Зона среднего поражения | |||||||
| Усыхающие | 0,2 | 1,3 | 10,5 | 68,2 | 19,8 | 100 | |
| Свежий сухостой | 0 | 3,1 | 4,9 | 54,7 | 37,3 | 100 | |
| Старый сухостой | 0,4 | 1,9 | 5,0 | 36,3 | 56,4 | 100 | |
| Зона средне-слабого поражения | |||||||
| Усыхающие | 0,5 | 1,2 | 2,8 | 59,3 | 36,2 | 100 | |
| Свежий сухостой | 0,6 | 1,2 | 2,8 | 59,2 | 36,2 | 100 | |
| Старый сухостой | 0,3 | 2,0 | 3,0 | 50,3 | 44,4 | 100 | |
| Зона слабого поражения | |||||||
| Усыхающие | 0,5 | 0,5 | 2,9 | 62,2 | 33,9 | 100 | |
| Свежий сухостой | 0,9 | 0 | 3,5 | 38,0 | 57,6 | 100 | |
| Старый сухостой | 0 | 0,7 | 2,0 | 34,4 | 62,9 | 100 | |
| Контроль | |||||||
| Усыхающие | 0 | 0,5 | 1,0 | 59,9 | 38,6 | 100 | |
| Свежий сухостой | 0 | 0 | 0 | 30,2 | 69,8 | 100 | |
| Старый сухостой | 0 | 0 | 0 | 31,2 | 68,8 | 100 | |
По результатам изучения закономерностей загрязнения лесных экосистем и динамики их состояния при различных режимах аэротехногенного воздействия, предложена структурно-функциональная схема мониторинга лесов в условиях промышленного загрязнения среды, включающего слежение за выбросами химических веществ в атмосферу (мониторинг источников воздействия), загрязнением (мониторинг загрязнения среды) и динамикой состояния лесных насаждений (мониторинг состояния лесов) (рис.2). Разработаны требования к оценке загрязнения среды в лесных экосистемах, обоснованы основные положения методики рекогносцировочного обследования лесов в условиях воздействия промышленных выбросов, зонирования очагов поражения и наблюдений за состоянием насаждений. Предложенная система мониторинга осуществлена нами в лесных насаждениях музея-заповедника Л.Н. Толстого «Ясная Поляна» [Методика по ведению…, 2001; Леса Ясной Поляны, 2004], Дзержинском лесхозе Нижегородской области.
5. РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ
В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
Снижение продуктивности лесов под влиянием промышленных выбросов происходит вследствие изменения интенсивности роста и увеличения числа погибших деревьев, отличающихся сниженной толерантностью к фитотоксичным веществам. Исследованиями установлено, что в условиях хронического загрязнения с приближением к источникам выбросов бонитет древостоев может снижаться на 1-2 класса, запас и среднее изменение запаса – в 1,6-1,7 раза. Средняя высота молодняков зеленомошниково – лишайниковых и бруснично- зеленомошниковых вблизи предприятий на 2,8 м, а спелых и приспевающих древостоев – на 5 м ниже контрольных значений. С приближением к источникам выбросов наблюдается первоочередное, по сравнению с контролем, уменьшение высоты крупномерных деревьев, обуславливающее «уплощение» вертикального профиля ослабленного выбросами древостоя.
Характер нарушения роста деревьев при хроническом загрязнении зависит от их возраста: в молодняках эмиссионное воздействие больше отражается на приросте в высоту, в спелых – на радиальном приросте. Снижение текущего радиального прироста спелых и перестойных сосняков бруснично-зеленомошниковых и зеленомошниково-лишайниковых в зоне среднего поражения достигает 55-60 %, слабого поражения – 20-30 % по сравнению с контролем. Нарушение прироста молодых растений по высоте часто усугубляется влиянием побеговьюнов, численность которых возрастает вблизи предприятий в связи со снижением резистентности деревьев.
Изучение закономерностей формирования надземной фитомассы сосняков показывает, что в условиях хронического загрязнения с приближением к предприятиям г. Дзержинска суммарная надземная фитомасса и масса стволовой древесины молодняков сосны снижается в 1,4-1,5 раза. Масса ветвей и хвои характеризуются значительной вариабельностью и снижаются только при сильном повреждении насаждений. С увеличением ослабления древостоев в составе их надземной фитомассы сокращается (на 12-15 %) доля стволовой древесины при повышении участия ветвей, побегов текущего года и хвои (табл. 5).
Таблица 5
Фракционный состав биомассы древостоя сосняков
зеленомошниково-лишайниковых
| Компоненты и фракции надземной биомассы | Фракционный состав биомассы (в %) древостоев разного состояния | |||||
| Индексы состояния древостоев | ||||||
| 3,0 | 2,8 | 2,1 | 1,9 | 1,4 | 1,3 | |
| Древесина стволов | 72,4 | 69,0 | 78,5 | 78,2 | 81,2 | 87,0 |
| Ветви: | 16,0 | 18,0 | 12,6 | 12,8 | 10,6 | 7,2 |
| в том числе: неохвоенные | 12,6 | 13,0 | 9,5 | 8,8 | 7,3 | 5,1 |
| охвоенные | 3,4 | 5,0 | 3,1 | 4,0 | 3,3 | 2,1 |
| из них побеги текущего года | 1,7 | Не опр. | 1,4 | 1,2 | 1,1 | 0,6 |
| Хвоя: | 11,6 | 13,0 | 8,9 | 9,0 | 8,2 | 5,8 |
| в том числе: первого года | 8,9 | 7,7 | 6,8 | 4,2 | 3,5 | 2,9 |
| второго года | 2,7 | 4,8 | 2,0 | 4,3 | 3,8 | 2,1 |
| третьего года | 0 | 0,5 | 0,1 | 0,5 | 0,9 | 0,8 |
| четвертого года | 0 | 0 | 0,02 | - | 0,02 | 0,04 |
В сильно ослабленных выбросами древостоях доля хвои текущего года в составе надземной биомассы увеличивается до 7,7-8,9 %. Запасы и доля двухлетней хвои не имеют явной связи со степенью повреждения насаждений. Наиболее значительно в древостое варьирует масса хвои третьего и четвертого годов, которые полностью отсутствуют при сильном ослаблении. На фракционный состав надземной фитомассы деревьев оказывает влияние их положение в древесном пологе. В сильно ослабленных древостоях, при сниженной общей биомассе и массе стволов, деревья равного диаметра имеют повышенное (в среднем на 5,3 %) количество хвои в кроне по сравнению с контролем.
Данные анализа моделей, отобранных в насаждениях сосны разной степени ослабления, показывают, что между приростом древесины и массой хвои на дереве существует тесная корреляционная зависимость, характеризуемая линейными уравнениями типа y = a + b x (r= 0,91 – 0,98), значимыми на 5 % уровне. Следовательно, уменьшение надземной фитомассы древостоев и, в первую очередь, массы стволов, является следствием снижения продуктивности ассимиляционного аппарата ослабленных выбросами деревьев. При этом отношение суммарной годичной продукции к общей массе хвои меньше зависит от степени повреждения насаждения (изменяется от 1,4 до 2,0), чем отношение годичной продукции стволов к общей массе хвои (от 0,4 до 1,1) (табл. 6).
Таблица 6
Показатели эффективности ассимиляции хвои древостоев сосны
| Отношение | Показатели эффективности ассимиляции хвои в древостоях разного состояния | |||||
| 3,0 | 2,8 | 1,9 | 2,1 | 1,4 | 1,3 | |
| Суммарная годичная продукция фитомассы / общая масса хвои | 1,6 | 1,4 | 1,6 | 2,0 | 1,5 | 1,9 |
| Годичная продукция стволов / общая масса хвои | 0,4 | 0,4 | 0,8 | 0,7 | 0,7 | 1,1 |
| Суммарная годичная продукция фитомассы / годичная продукция хвои | 2,0 | 2,4 | 3,6 | 2,6 | 3,5 | 3,8 |
То есть, сокращение прироста стволов деревьев в большей мере обусловлено перераспределением ассимилятов в организме на поддержание фотосинтезирующей его части в ущерб приросту древесины. Таким образом, отмечаемая переориентация метаболизма на восстановление преждевременно опавшей хвои, потерю части ассимилирующей поверхности из-за некрозов, регенерацию хлорофилла и других нарушений, хотя и приводит к снижению запасов древесины, но обеспечивает жизнестойкость организма в условиях загрязнения.
Изучение вертикально- фракционного распределения фитомассы крон, характеризующего потенциальную ассимиляционную способность ее разных частей, показывает, что в молодняках сосны у здоровых деревьев основная масса хвои сосредоточена в наиболее интенсивно ассимилирующей верхней части кроны (на рисунке цифрами указаны мутовки кроны). В условиях хронического аэротехногенного загрязнения ослабление сосны происходит по вершинному типу. У сильно ослабленных деревьев, в отличие от здоровых, отмечается наибольшее развитие ветвей в нижней, а наименьшее – в верхней части кроны (рис. 3). Здесь масса неохвоенных ветвей кроны в среднем в 5 раз
превышает массу охвоенных, при этом около 2/3 охвоенных ветвей составляют побеги текущего прироста. Охвоение вершин представлено только однолетними побегами. Более половины массы однолетней и 2/3 массы двухлетней хвои смещается в нижние части кроны, повышая их роль в продукционном процессе, устойчивости деревьев и жизнедеятельности сообщества. По всей кроне доминирует масса хвои первого года, превышающая массу двухлетней в среднем в 9 раз; хвоя второго года появляется только на 4-ой мутовке и достигает наибольшей массы в нижней части кроны.
6. Нормирование АЭРОтехногенного воздействия
на сосновые экосистемы
Система мероприятий по сохранению, повышению устойчивости и реабилитации лесов в условиях промышленных выбросов предусматривает комплекс взаимосвязанных мер, включающих мониторинг лесов, сокращение выбросов до безвредных для лесной растительности объемов и совершенствование ведения лесного хозяйства через корректировку использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов (рис. 4).
| Система мероприятий | ||||||||||||||||
| Мониторинг лесов в условиях промышленного загрязнения | ||||||||||||||||
| Сохранение лесов | Повышение устойчивости ослабленных насаждений | Восстановление погибших насаждений | ||||||||||||||
| Разработка экологических нормативов ПДК, ПДН и др. | Изменение системы использования лесов | Использование естественного восстановительного потенциала лесов | ||||||||||||||
| Разработка нормативов ПДВ с учетом состояния лесов | Проведение мероприятий по воспроизводству лесов с учетом уровня загрязнения среды и состояния насаждений | Использование устойчивых к загрязнению видов при лесовосстановлении | ||||||||||||||
| Сокращение объемов выбросов | Формирование устойчивого к загрязнению породного состава насаждений при уходе за лесами и лесовосстановлении | Снижение уровня загрязнения почвы | ||||||||||||||
| Корректировка системы пожарной и санитарной безопасности в лесах | Регулирование режима минерального питания растений и их физиолого- биохимического состояния | |||||||||||||||
| Регулирование режима минерального питания растений и их физиолого- биохимического состояния | ||||||||||||||||
Рис. 4. Система мероприятий по сохранению, повышению устойчивости и реабилитации лесов в условиях промышленных выбросов
Ведущая роль в снижении уровня загрязнения среды и сохранении лесов принадлежит нормированию допустимого техногенного воздействия с учетом чувствительности лесных экосистем.
На основе результатов собственных теоретических и экспериментальных исследований [1994, 1996, 1998, 2001], а также анализа имеющегося опыта [Николаевский, 1979, 1993; Серебрякова, 1980; Обухов, 1992; Костенко, Боронин, 1993; Барышева, Боронин, 1993; Воробейчик и др., 1994; Михайлова, 1997; Цветков, Цветков, 2003; Prinz, Brandt, 1982; Resolution.., 1979; Air..., 1985; Sverdrup e.a., 1992 и др.] предложена система нормативов, учитывающая чувствительность различных компонентов лесных экосистем к загрязнению и разновидности техногенного воздействия (атмосферное загрязнение, кислотные осадки, выпадения загрязняющих веществ, загрязнение почвы).
Сформулированы основные принципы экологического нормирования аэротехногенного воздействия на леса: нормирование по реакции наиболее чувствительных древесных пород в естественных условиях местопроизрастания, учет региональных (зонально-типологических) особенностей чувствительности лесных экосистем к фитотоксикантам, многокомпонентного состава выбросов и реального режима загрязнения.
Разработаны методические основы экологического нормирования: выбор объектов, определение «нормы» состояния лесных экосистем или их компонентов, оценка реакции лесных экосистем на действие выбросов, измерение интенсивности загрязнения, установление норматива допустимого воздействия.
На основе экспериментальных исследований установлено, что суммарная допустимая среднемесячная дозовая нагрузка главных газовых фитотоксикантов (диоксиды серы и азота, хлор, аммиак) в условиях Дзержинского стационара для сосняков лишайниковых составляет 63 мг/час в 1 м3, а индекс суммарной среднемесячной дозовой нагрузки – 142 мг/час в 1 м3 воздуха. Использование предложенных показателей позволяют определять допустимое загрязнение атмосферного воздуха в реальных условиях произрастания насаждений, а также учитывать воздействие смеси токсикантов, содержащихся в выбросах предприятий. Они могут применяться для прогнозирования уровня загрязнения атмосферы в лесах вокруг строящихся или проектируемых промышленных объектов.
Результаты многолетних экспериментов по изучению реакции сосны обыкновенной и основных разновидностей почв сосновых экосистем зоны хвойно- широколиственных лесов на кислотное воздействие [1995, 1998, 2004, 2007] доказывают высокую чувствительность растений сосны обыкновенной и лесных почв сосняков к кислотным выпадениям. Отрицательные изменения роста и развития саженцев сосны наступают при обработках их искусственными кислотными осадками с рН= 3,8 в объеме годовой нормы, первые признаки острого повреждения хвои – при рН=2,2 через три месяца после начала обработок.
В экспериментальных обработках монолитов почв растворами серной кислоты установлена устойчивая зависимость между кислотностью обработок и выносом кальция, магния и алюминия из почвы. При этом вынос веществ из суглинистой почвы выше, чем из супесчаной, а значимые различия от контроля выноса изученных элементов начинаются с обработок искусственными кислотными осадками с рН=3,5.
Под влиянием кислотных обработок в объеме годовой и полуторагодовой нормы наблюдались существенные изменения катионообменных свойств почв: увеличение величины рНKCl на 0,1-0,6 ед., увеличение гидролитической кислотности (на 13-33 % от исходной), снижение суммы обменных оснований (на 50-85 %) и степени насыщенности основаниями (на 50-85 %). Содержание гумуса во всех вариантах опыта изменялось незначительно, что, как следует из научных источников [Соколова и др., 1993; Макаров, Недбаев, 1994], объясняется устойчивостью гумусовых веществ к подкислению. Изменение содержания обменных форм азота и фосфора в почвах при проведенном режиме кислотных обработок имело неоднозначную реакцию, обусловленную, видимо, соотношением процессов миграции веществ, нитрификации и денитрификации.
На основе многолетних обработок монолитов лесных почв искусственными кислотными осадками [Дороничева, Мартынюк, 2007] установлены предельно- допустимые нагрузки кислотообразующих соединений для сосновых экосистем зоны хвойно-широколиственных лесов (табл. 7).
Таблица 7
Величина предельно- допустимых нагрузок (ПДН) кислотообразующих соединений для сосновых экосистем зоны хвойно- широколиственных лесов
| № п/п | Тип (группа) типов леса | Расчетные величины ПДН, кг / га | ||
| Н + | S | N | ||
| 1 | C.лишайниковый | 0,4 | 6 | 5 |
| 2 | С. зеленомошниковый на супесчаных почвах | 0,3 | 5 | 4 |
| 3 | С. кисличный на супесчаных почвах | 0,3 | 5 | 5 |
| 4 | С. брусничный на супесчаных почвах | 0,6 | 10 | 9 |
| 5 | С. черничный на супесчаных почвах | 0,8 | 13 | 12 |
| 6 | С. сложный с елью на легкосуглинистых почвах | 0,7 | 11 | 10 |
| 7 | С. сложный с елью на тяжелосуглинистых почвах | 0,9 | 15 | 13 |
Корреляционный анализ свидетельствует об относительно значимой связи состояния древостоев с содержанием сульфатной серы (r=0,65), суммарного азота (0,62), кальция (0,40), натрия (0,39), суммарных коэффициентов загрязнения снега (0,66) и хвои (0,49). С использованием уравнений регрессии между содержанием загрязнителей в снегу и индексом состояния древостоев, а также среднемноголетних данных о запасах снеговых вод, определены значения допустимых нагрузок химических загрязнителей, поступающих в насаждения за зимний период. Так, для сосняков, произрастающих на песчаных почвах Дзержинского стационара, допустимая среднемесячная нагрузка для более чувствительных спелых древостоев по сере сульфатов составляет 0,1 кг/га, выпадениям соединений азота – 0,3 кг/га. Для сосняков сложных и зеленомошниковых, произрастающих на супесчаных и легкосуглинистых почвах в условиях загрязнения Воскресенского промышленного комплекса, допустимая среднемесячная нагрузка по сере сульфатов выше (0,3 – 1,1 кг/га), чем на предыдущем объекте. По суммарным азотным выпадениям критические значения идентичны для обоих объектов.
Оценка чувствительности древостоев к полиэлементному составу загрязнителей, характеризуемого величиной суммарного показателя загрязнения Zc показывает, что для сосновых насаждений на песчаных почвах значения Zc снегового покрова ниже, чем для насаждений на супесчаных и легкосуглинистых почвах. Использование регрессионной связи загрязнения снега с состоянием насаждений позволило установить граничные значения Zc для зон поражения сосняков, произрастающих на разных типах почв зоны хвойно- широколиственных лесов (табл.8).
Таблица 8
Связь суммарных показателей загрязнения Zc снега с зонами поражения сосновых насаждений (в расчетах использованы уравнения для спелых древостоев как более чувствительных к загрязнению)
| Зоны поражения древостоев | Значения Zc для разных групп насаждений | |
| сосняки на песчаных почвах | сосняки на супесчаных и легкосуглинистых почвах | |
| Отсутствует | до 1 | до 7 |
| Слабое – III | 2-26 | 8-53 |
| Среднее – II | 27-57 | 54-103 |
| Сильное – I | 58-98 | 104-153 |
| Очень сильное – Ia | более 99 | более 154 |
В лабораторно-тепличных исследованиях, проведенных во ВНИИЛМ на саженцах сосны и ели [Ромашкевич, Боронин, 1993] доказано, что ПДК, установленные по параметрам роста и состояния растений, выше санитарно-гигиенических нормативов по меди в 26 раз, по цинку – в 4 раза, по свинцу – в 3 раза. Полевые эксперименты показали, что для молодняков сосны, произрастающих на песчаных почвах, допустимая концентрация содержания цинка в пахотном слое почвы составляет 430 мг/кг, что примерно в два раза выше ПДК, установленной для саженцев хвойных пород в лабораторных условиях. Такой эффект снижения фитотоксичности можно объяснить миграцией загрязнителя в естественных условиях, а также «разбавлением» его в большей биомассе деревьев насаждений, по сравнению с саженцами.
7. Совершенствование системы лесного хозяйства
в очагах поражения сосновых насаждений промышленными выбросами
Ведение лесного хозяйства на территориях, подверженных аэротехногенному воздействию, должно ориентироваться, прежде всего, на поддержание средообразующих свойств лесов, выполняющих санитарно- гигиенические и иные средообразующие функции, и базироваться на уровне загрязнения насаждений, фактическом их состоянии и прогнозе его динамики под влиянием интегрального взаимодействия комплекса экологических факторов.
В целях оптимизации лесного хозяйства, территорию очага поражения насаждений целесообразно в ходе лесоустройства выделять в хозяйственную часть «леса зон промышленных выбросов». Данная хозчасть в стабилизировавшихся очагах будет включать все зоны поражения насаждений; в развивающихся – учитывать увеличение площади поражения, прогнозируемое в последующем. Как и в незагрязненных условиях, в хозяйственной части могут образовываться хозяйства, подразделяемые на хозяйственные секции по преобладающей древесной породе, общности целей и однородности лесохозяйственных мероприятий, направленных на сохранение и восстановление лесов, повышение устойчивости существующих насаждений к аэротехногенному загрязнению. Насаждения одной преобладающей древесной породы могут быть разделены на несколько хозяйственных секций (постоянных или временных), соответствующих градациям индекса состояния или зонам поражения (например, сосновая секция усыхающих и сильноослабленных насаждений, сосновая секция слабоослабленных насаждений). При этом, площадь выделяемых хозяйственных секций может быть меньше нормативов для незагрязненных лесов, что позволит более адресно подойти к реабилитации и повышению устойчивости поврежденных насаждений.
Учитывая требования статьи 17 (часть 4) Лесного кодекса Российской Федерации, территорию очагов поражения лесов выбросами, по нашему мнению, целесообразно относить к защитным лесам. Это ограничит использование их для заготовки древесины, которая может осуществляться только в процессе санитарных рубок и рубок ухода, назначаемых по состоянию насаждений.
Основой реабилитационных мероприятий, направленных на замену погибших и восстановление поврежденных выбросами насаждений в минимально возможные сроки, является лесовосстановление, проводимое, как и в обычных условиях, путем естественного, искусственного и комбинированного способов восстановления лесов. При этом, в весьма крупных и крупных очагах поражения с большими площадями погибших и усыхающих насаждений, следует ориентироваться на использование естественного потенциала лесов к самовосстановлению, в том числе и как промежуточный этап для формирования в последующем с помощью рубок ухода смешанных хвойно- лиственных древостоев.
В целях содействия естественному возобновлению леса в условиях загрязнения рекомендуется в зонах очень сильного и сильного поражения сохранять газоустойчивые и малоустойчивые древесные и кустарниковые виды лесных растений в составе естественного возобновления, осуществлять частичную подсадку устойчивых видов на участках с недостаточным количеством подроста и самосева.
На основе результатов собственных исследований и обобщения научных данных [Дончева, 1979; Николаевский, 1979; Влияние…, 1981; Армолайтис и др., 1985; Рекомендации…, 1987; Состояние…, 1993 и др.] разработан ассортимент газоустойчивых древесных и кустарниковых видов растений для создания устойчивых лесных культур в условиях воздействия промышленных выбросов. При искусственном лесовосстановлении в зонах очень сильного и сильного поражения рекомендуется густота посадки на 50-70 % и 20-30 % соответственно выше, чем в аналогичных условиях местопроизрастания фоновых территорий. Для создания лесных культур целесообразно использовать посадочный материал с закрытой корневой системой. На площадях с наиболее высоким уровнем загрязнения в зонах очень сильного и сильного поражения применяют порядное или кулисное смешение газоустойчивых древесных (главная порода) и сопутствующих видов. При необходимости (отенение или закрепление почвы, улучшение условий минерального питания и др.) посадочные места главной и сопутствующей породы в рядах могут чередоваться с местами газоустойчивого кустарника.
В зоне среднего поражения культуры создают из среднеустойчивых видов, а в зоне слабого поражения допустимо выращивание малоустойчивых видов лесных растений, размещая посадки рядами или кулисами перпендикулярно по отношению к источнику загрязнения. Высокую эффективность в условиях воздействия промышленных выбросов показало создание подпологовых культур.
Формирование устойчивых к загрязнению древостоев в условиях загрязнения может быть достигнуто при уходе за их составом [1989, 1993, 2001]. В смешанных хвойно-лиственных (лиственничных) одноярусных и сложных насаждениях в зонах очень сильного и сильного поражения в условиях стабилизировавшегося или возрастающего загрязнения рубками ухода на разных возрастных этапах формируют газоустойчивые чистые лиственные древостои или древостои с преобладанием лиственных пород. При устойчивой тенденции к снижению объемов выбросов, в лиственных насаждениях с примесью или с надежным возобновлением хвойных древесных видов, а также в чистых хвойных насаждениях можно ориентироваться на выращивание сосны и ели. Рубки ухода назначают здесь только при значительном усыхании малоустойчивых (хвойных) пород, вырубка которых не приводит к дальнейшему ухудшению лесной среды и будет способствовать развитию подпологового возобновления (или второго яруса).
В чистых среднеослабленных сосновых насаждениях без подроста газоустойчивых пород, при неснижающемся уровне загрязнения, при необходимости, может быть проведен уход по низовому методу без уменьшения существующей сомкнутости полога древостоя. При достаточном количестве благонадежного подроста газоустойчивых древесных видов может проводиться прореживание древостоя слабой интенсивности совместно с уходом за подростом для формирования смешанных насаждений.
При формировании насаждений в зонах очень сильного, сильного и среднего поражения целесообразно ориентироваться, прежде всего, на осветления и прочистки. Проведение проходных рубок нецелесообразно из-за возможного снижения сомкнутости полога до критического уровня и интенсификации отпада деревьев под воздействием выбросов.
В диссертации сформированы принципы отбора деревьев в рубку с учетом их газоустойчивости и фактического состояния (состояние крон, наличие сухих ветвей и суховершинности, др.); обоснованы технологические особенности проведения рубок (слабая интенсивность выборки, низовой способ рубки, использование дорожно- тропиночной сети в качестве технологических коридоров, формирование газоустойчивых опушек).
Высокая плотность промышленных объектов приводит к увеличению источников огня в зонах загрязнения, что придает особое значение профилактическим лесопожарным мероприятиям и своевременности обнаружения лесных пожаров в процессе мониторинга. Лесозащитные мероприятия, как и в незагрязненных условиях, планируются и осуществляются на основе данных лесопатологического мониторинга и лесопатологических обследований [Мозолевская, 1984; Наставление…, 1988; Наставление…, 2001 и др.]. При этом необходимо учитывать возможное изменение численности вредоносных видов насекомых и их энтомофагов, агрессивности и патогенности возбудителей, повышение чувствительности деревьев к действию биотических факторов и увеличение кормовой базы для отдельных видов вследствие роста отпада деревьев от фитотоксикантов.
Аэротехногенное воздействие обуславливает увеличение объемов санитарно-оздоровительных мероприятий и, прежде всего, сплошных и выборочных санитарных рубок, в очагах поражения насаждений. При этом сплошные санитарные рубки могут назначаться независимо от возраста древостоев после серии выборочных санрубок или как отдельное мероприятие в насаждениях, полностью утративших биологическую устойчивость и санитарно-гигиенические функции. В отличие от незагрязненных условий, при проведении сплошных санитарных рубок в условиях очага поражения выбросами, следует допустить дробление таксационного выдела на участки (со сплошной санрубкой; с выборочной санрубкой, и без рубки – куртины с относительно здоровыми деревьями), что позволит максимально сохранить жизнеспособные части насаждений. В выборочную санитарную рубку, во избежание увеличения разреженности древесного полога, не отводят сильно ослабленные и усыхающие деревья, сохранившие живую часть кроны и не заселенные стволовыми вредителями. В целях быстрой замены погибшего насаждения технология проведения санитарных рубок должна предусматривать формирование древостоя из жизнеспособных деревьев второго яруса или подроста как хвойных, так и лиственных видов, а при их отсутствии – создание лесных культур из газоустойчивых лесных растений.
Из-за значительной техногенной нагрузки на леса в очагах поражения и обычно частому использованию их в рекреационных целях, при выборе средств борьбы с вредными организмами преимущество отдается биологическим методам перед химическими.
Из специальных мероприятий, повышающих устойчивость лесов к промышленному загрязнению, в диссертации показана возможность использования селекционных методов, применения минеральных удобрений и микроэлементов, стимуляторов роста (парааминобензойной кислоты). На особо ценных, но сильно загрязненных участках лесов, после существенного снижения объема выбросов или закрытия предприятий перед созданием лесных культур возможно проведение работ по детоксикации лесных почв.
В насаждениях зоны слабого поражения, а также в лесах с повышенным уровнем загрязнения, но без видимых признаков их поражения, использование, охрана, защита и воспроизводство лесов осуществляются в соответствии с рекомендациями для незагрязненных территорий.
выводы и рекомендации
В результате 25-летних исследований, проведенных в нарушенных промышленными выбросами экосистемах, теоретически и экспериментально обоснована взаимосвязанная система мероприятий, направленная на сохранение и реабилитацию сосновых насаждений в зоне хвойно-широколиственных лесов Европейской части России и южной тайги Восточной Сибири. Исследования, которые базировались на экосистемном подходе с учетом зонально- типологических особенностей реакции сосновых насаждений на аэротехногенное загрязнение, позволили сделать следующие выводы и рекомендации.
1. Пространственное загрязнение компонентов лесных экосистем определяется совокупным влиянием источников выбросов, размещенных на территории воздействия. При одиночном источнике или компактном размещении нескольких источников ареалы загрязнения лесов химическими веществами, как правило, имеют вытянутую форму, ориентированную на розу ветров; в других случаях – более сложную конфигурацию. Величина и знак коэффициента корреляции между содержанием загрязнителя в компонентах экосистемы и расстоянием к источнику выбросов может служить подтверждением принадлежности химического вещества к выбросам изучаемого промышленного объекта.
2. В зоне влияния промышленных выбросов загрязнение атмосферного воздуха на каждом лесном участке можно характеризовать величиной дозовой нагрузки фитотоксиканта (или суммарной дозовой нагрузки нескольких фитотоксикантов), равной произведению усредненной максимальной разовой (подфакельной) концентрации на время продолжительности действия в течение месяца, вегетационного периода или года.
3. Для характеристики загрязнения лесов многокомпонентными выбросами рекомендуется использовать показатель суммарного загрязнения Zc, применяемый в оценках санитарно-гигиенического состояния городских территорий. При этом изучение химического состава снегового покрова позволяет выявить приоритетный перечень загрязнителей, объективно оценить уровень загрязнения и интенсивность выпадения техногенных веществ за зимний период.
С использованием регрессионной связи суммарного показателя загрязнения снега с состоянием насаждений установлены граничные значения показателя Zc для зон поражения сосняков, произрастающих на разных типах почв зоны хвойно- широколиственных лесов.
4. Выявлены тенденции перераспределения выпадающих из атмосферы химических загрязнителей в различных компонентах сосновых экосистем. Наиболее тесная положительная связь между содержанием техногенных элементов наблюдается в системе «снег – лесная подстилка», менее значимая в системах «снег – почва» и «подстилка – почва». Наибольшее загрязнение снега, лесной подстилки и почвы наблюдается в подкроновых, и, особенно, приствольных зонах древостоев. Содержание большинства изученных анионов в дождевых осадках увеличивается по ряду: над кронами< в окнах< под подстилкой <под кронами < под эллювиальным горизонтами почв < в стволовом стоке.
5. Наиболее объективно степень поражения деревьев выбросами характеризуют продолжительность жизни и величина некрозов хвои, густота охвоения побегов в верхней части кроны деревьев I–III классов Крафта. По данным результатов экспериментальных исследований обоснованы критерии, разработаны шкала и методика оценки повреждения сосняков промышленными выбросами, обеспечивающие получение достоверной информации о состоянии лесов вокруг источников загрязнения. Оценку степени ослабления сосновых молодняков и средневозрастных древостоев рекомендуется проводить с использованием предложенной шкалы по данным визуального определения состояния деревьев I–III классов Крафта, приспевающих и спелых – по всем деревьям насаждения.
Для уточненной оценки состояния сосновых лесов на начальных стадиях их ослабления при хроническом воздействии можно использовать показатели распространения эпифитных лишайников Evernia mesomorpha и Hypogymnia physodes.
6. На основе собственных экспериментальных работ и анализа научных источников лесные территории, подверженные аэротехногенному воздействию, разделены на 2 типа: а) с повышенным содержанием химических веществ и соединений в лесных экосистемах, но без видимых признаков ослабления древостоев; б) с видимым поражением лесов – очаги поражения лесов промышленными выбросами. Разработана система критериев, позволяющая классифицировать очаги поражения лесов выбросами с учетом их химического и агрегатного состава, площади и интенсивности повреждения, видового состава насаждений.
7. Под влиянием промышленных выбросов отпад деревьев в насаждениях идет по смешанному типу при доминирующей роли особей подчиненной части древостоя. С увеличением уровня загрязнения в число погибших и усыхающих категорий состояния включается все больше деревьев верхней части полога, возрастает интенсивность образования отпада за счет сокращения продолжительности процесса перехода деревьев из более высокой категории состояния в более низкую. Первоочередное нарушение роста по высоте деревьев высших классов Крафта приводит к «уплощению» вертикального профиля древостоя, изменению хода естественной дифференциации деревьев и повышению лесоводственно-экологической значимости подчиненных деревьев в ослабленных выбросами насаждениях.
8. В зависимости от уровня загрязнения атмосферы, начальные изменения лесных фитоценозов (угнетение и гибель наиболее чувствительных видов) трансформируются в более глубокие функциональные и структурные нарушения, вплоть до полной деструкции коренного сообщества и замены его вторичным (лесным или нелесным) ценозом, обладающим более низкой продуктивностью, но способным сохранять жизнестойкость в условиях химического загрязнения.
9. Предложена структурно-функциональная схема мониторинга лесов в условиях аэротехногенного воздействия, включающего слежение за объемами выбросов химических веществ в атмосферу (мониторинг источников воздействия), загрязнением условий местопроизрастания (мониторинг загрязнения среды), динамикой состояния насаждений и их компонентов (мониторинг состояния насаждений). Подобный мониторинг был осуществлен в насаждениях музея-заповедника «Ясная Поляна», Дзержинском лесхозе Нижегородской обл.
10. Показатели состояния, роста и продуктивности лесных насаждений ухудшаются с приближением к источникам загрязнения, при этом бонитет древостоев может снижаться на один- два класса, их запас в 1,7 раза, общая надземная биомасса и биомасса стволов – в 1,5 раза. С увеличением степени ослабления сосняков в фракционном составе их надземной фитомассы и годичной продукции повышается доля фракций кроны (ветвей, побегов текущего года и хвои) при снижении участия стволовой древесины.
Доказано, что основная причина снижения продуктивности насаждений в условиях аэротехногенного загрязнения состоит в сниженной продукционной способности ассимиляционных органов, вызванной преждевременным опадом хвои, сокращением фотосинтезирующей поверхности из-за некрозов, уменьшением массы световой хвои и разрушением хлорофилла.
Увеличение доли хвои в составе надземной фитомассы древостоев и их годичной продукции при снижении доли стволовой древесины свидетельствует о переориентации метаболизма деревьев на поддержание своей жизнеспособности в ущерб росту и продуктивности, что следует рассматривать как биоэкологическую защитную реакцию, позволяющую сохранить устойчивость деревьев и обеспечить существование насаждений в условиях загрязнения среды.
11. На основании выявленных закономерностей воздействия химических веществ на лесные экосистемы в различных зонально-типологических условиях, разработана комплексная система мероприятий по сохранению и реабилитации лесов в условиях промышленных выбросов, включающая комплекс мер по сохранению лесов (ограничение выбросов до безвредных для растительности объемов), повышению устойчивости поврежденных и восстановлению погибших насаждений.
12. В целях реализации данной системы разработана классификация нормативов допустимого воздействия химических загрязнителей на леса и сформулированы принципы экологического нормирования различных видов аэротехногенного воздействия. Принципы предусматривают учет при нормировании региональных и типологических особенностей устойчивости лесов к выбросам, реакции наиболее чувствительных экосистем или их компонентов, многокомпонентного состава выбросов и реального режима загрязнения, интегрального отклика экосистем на аэротехногенное воздействие.
В развитие экологического подхода разработаны методические основы определения допустимого загрязнения атмосферы многокомпонентными выбросами в лесах с использованием суммарной среднемесячной допустимой дозовой нагрузки и индекса суммарной среднемесячной дозовой нагрузки.
13. Исследованиями установлено, что прямое повреждающее действие кислотных осадков на ассимиляционный аппарат сосны обыкновенной наблюдается при рН=2,2; первые отрицательные изменения в росте и развитии саженцев – при 3,8 ед. рН. Эксперименты по искусственной обработке почв кислотными растворами показали, что кислотные осадки в объеме годовой – полуторагодовой нормы могут вызывать существенные изменения катионообменных свойств почв, прежде всего суммы их обменных оснований, степени насыщенности основаниями и гидролитической кислотности. Определены величины предельно допустимых нагрузок кислотообразующих соединений, составляющие для сосняков зоны хвойно-широколиственных лесов 0,3-0,9 кг/га H+, 5-15 кг/га S, 4-13 кг/га N.
14. В полевых экспериментах доказано, что для молодняков сосны, произрастающих на песчаных почвах, допустимая концентрация цинка в пахотном слое почвы в два раза превышает ПДК, установленную на саженцах в лабораторно-тепличных условиях.
15. В целях повышения устойчивости и реабилитации сосновых лесов, ослабленных промышленными выбросами, разработаны требования к совершенствованию системы ведения лесного хозяйства в очагах поражения насаждений. Предлагается в процессе лесоустройства поврежденные леса вокруг источников загрязнения относить к защитным лесам, объединяя территорию очага в особую хозяйственную часть – «леса зон промышленных выбросов» с последующим образованием в ней хозяйств и хозсекций.
Осуществление лесохозяйственных мероприятий здесь рекомендуется увязывать с реальным состоянием насаждений, существующим и перспективным режимом загрязнения среды, площадью очагов.
16. Использование лесов в очагах поражения для получения древесины возможно только в процессе санитарных рубок и рубок ухода, назначаемых по состоянию насаждений.
17. При замене погибших и восстановлении поврежденных выбросами насаждений лесовосстановительными мерами в весьма крупных и крупных очагах поражения с большими площадями погибших и усыхающих насаждений предпочтение отдается использованию естественного потенциала лесов к самовосстановлению. В целях содействия естественному возобновлению в зонах очень сильного и сильного поражения рекомендуется сохранять в составе естественного возобновления газоустойчивые и малоустойчивые древесные и кустарниковые виды лесных растений, осуществлять частичную подсадку газоустойчивых видов на участках с недостаточным количеством подроста и самосева.
Сформулированы требования к искусственному лесовосстановлению: ассортимент газоустойчивых древесных и кустарниковых пород, увеличение густоты посадки в зонах очень сильного и сильного поражения, использование посадочного материала с закрытой корневой системой, создание подпологовых культур.
18. Формирование устойчивых древостоев рубками ухода в зонах очень сильного и сильного поражения в условиях стабилизировавшегося или возрастающего загрязнения может быть достигнуто путем сохранения газоустойчивых пород в составе насаждений. При устойчивой тенденции к снижению объемов выбросов, в лиственных древостоях с примесью или с надежным возобновлением хвойных пород, а также в чистых хвойных древостоях при осуществлении рубок ухода ориентируются на выращивание сосны и ели.
В чистых среднеослабленных сосновых насаждениях без подроста газоустойчивых пород, при неснижающемся уровне загрязнения, может проводиться только уход по низовому методу, избегая уменьшения существующей сомкнутости полога древостоя. При достаточном количестве благонадежного подроста газоустойчивых древесных пород в процессе прореживания слабой интенсивности рекомендуется уход за подростом для формирования смешанных древостоев.
Разработаны требования к отбору деревьев в рубку с учетом их газоустойчивости и фактического состояния (состояние крон, наличие сухих ветвей и суховершинности, др.); обоснованы технологические особенности проведения рубок (слабая интенсивность выборки, низовой способ рубки, использование дорожно- тропиночной сети в качестве технологических коридоров, формирование газоустойчивых опушек).
19. Для повышения эффективности охраны лесов от пожаров в очагах поражения предлагается уделять повышенное внимание профилактическим мероприятиям и своевременности обнаружения лесных пожаров в процессе лесопожарного мониторинга.
20. В отличие от незагрязненных условий, при проведении сплошных санитарных рубок следует допустить дробление таксационного выдела на участки по состоянию, что позволит максимально сохранить жизнеспособные части насаждений. Во избежание увеличения разреженности древесного полога не рекомендуется отводить в выборочную санитарную рубку сильно ослабленные и усыхающие деревья, сохранившие живую часть кроны и не заселенные стволовыми вредителями. В целях быстрой замены погибшего насаждения санитарные рубки должны совмещаться с сохранением подроста или созданием лесных культур из газоустойчивых пород.
21. В насаждениях зоны слабого поражения, а также в лесах с повышенным уровнем загрязнения, но без видимых признаков их ослабления, использование, охрана, защита и воспроизводство лесов осуществляются в соответствии с рекомендациями для незагрязненных территорий.
список основных опубликованных научных работ
по теме диссертации
Монографии
1. Мартынюк, А. А. Сосновые экосистемы в условиях аэротехногенного загрязнения / А. А. Мартынюк. – М.: ВНИИЛМ, 2004. – 160 с.
2. Леса Ясной Поляны / А. А. Мартынюк, В. Д. Касимов, А. Д. Маслов, Д. В. Касимов, В. Г. Стороженко. – М.: ВНИИЛМ, 2004. – 119 с.
3. Лесобиологическая рекультивация полигонов складирования фосфогипса / А. А. Мартынюк, В. Н. Кураев, Л. Л. Коженков, В. Е. Миронов. – М.: ВНИИЛМ, 2004. – 120 с.
Статьи в ведущих рецензируемых журналах
4. Мартынюк, А. А. Влияние промышленных выбросов на рост и производительность сосновых древостоев / А. А. Мартынюк, Н. И. Данилов // Лесное хозяйство. – 1989. – № 4. – С. 17–19.
5. Мартынюк, А. А. Запасы и формирование надземной фитомассы сосновых древостоев в условиях загрязнения промышленной среды / А. А. Мартынюк // Лесное хозяйство. – 1992. – № 10. – С. 7.
6. Мартынюк, А. А. Нормирование техногенного воздействия на лесные экосистемы / А. А. Мартынюк, Ю. Б. Боронин, А. В. Костенко, Е. В. Ромашкевич // Лесное хозяйство. – 1998. – № 1. – С. 25–27.
7. Дороничева, Е. В. Экспериментальное обоснование допустимого воздействия кислотных осадков на березовые насаждения / Е. В. Дороничева, А. А. Мартынюк // Лесной журнал. – 2007. – № 1. – С. 34–41.
8. Мартынюк, А. А. Строение фитомассы крон и ее вертикально-фракционное распределение в древостоях сосны, подверженных аэротехногенному загрязнению / А. А. Мартынюк // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. – 2008. – № 1 (58). – С. 121–127.
9. Мартынюк, А. А. Особенности формирования надземной фитомассы сосновых молодняков в условиях техногенного загрязнения / А. А. Мартынюк // Лесоведение. – 2008. – № 1. – С. 39–45.
10. Дороничева, Е.В. Экспериментальное изучение влияния кислотных осадков на изменение некоторых показателей лесорастительных свойств лесных почв зоны хвойно-широколиственных лесов / Е. В. Дороничева, А. А. Мартынюк // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. – 2008. – № 6 (63). – С. 28–32.
Статьи,брошюры, сообщения в научных сборниках и на конференциях
11. Мартынюк, А. А. О влиянии выбросов промышленных предприятий на сосновые насаждения / А. А. Мартынюк // Повышение устойчивости и средоохранной роли лесов: сб. науч. тр. ВНИИЛМ. – М: ВНИИЛМ, 1983. – С. 95–104.
12. Влияние промышленной среды на лесонасаждения и опыт хозяйства в них / Н. А. Воронков, Л. Л. Коженков, А. А. Мартынюк, Л. А. Пельтек, С. М. Петров. – М.: ЦБНТИлесхоз, 1982. – 49 с.
13. Сердюкова, А. В. Роль древесных насаждений в поглощении выхлопных газов автотранспорта / А. В. Сердюкова, А. А. Мартынюк // Повышение устойчивости и средоохранной роли лесов: сб. науч. тр. ВНИИЛМ. – М.: ВНИИЛМ, 1983. – С. 110–114.
14. Мартынюк, А. А. Особенности накопления серы в хвое сосны в условиях хронического загрязнения атмосферы промышленными выбросами / А. А. Мартынюк, Е. В. Ромашкевич. – М, 1985. – 5 с. – Деп. в ЦБНТИлесхоз 19. 06. 1985 г., № 322 ЛХ-84.
15. Мартынюк, А. А. Густота охвоения побегов как показатель степени ослабления деревьев сосны промышленными выбросами / А. А. Мартынюк // Основы выращивания защитных насаждений на водосборных бассейнах малых рек: сб. науч. тр. ВНИИЛМ. – М.: ВНИИЛМ, 1985. – С. 115–121.
16. Временная методика по учету сосновых насаждений, подверженных влиянию промышленных выбросов / Н. А. Воронков, А. А. Мартынюк, В. Д. Касимов [и др.]. – М.: ВНИИЛМ, 1986. – 36 с.
17. Система долговременных наблюдений за лесными биогеоценозами в условиях локального загрязнения атмосферы промышленными выбросами / Н. А. Воронков, А. А. Мартынюк, А. В. Сердюкова // Мониторинг лесных экосистем / Тез. докл. научной конференции. – Каунас, 1986. – С. 175–176.
18. Мартынюк, А. А. Применение морфологических показателей крон для оценки степени поражения деревьев сосны промышленными выбросами / А. А. Мартынюк, В. Д. Касимов // Мониторинг лесных экосистем / Тез. докл. научной конференции. – Каунас, 1986. – С. 223–224.
19. Мартынюк, А. А. Изучение динамики поступления опада в сосновых насаждениях, ослабленных промышленными выбросами / А. А. Мартынюк, С. М. Петров. – М., 1987. – 5 с. – Деп. в ЦБНТИлесхоз 27. 05. 1986 г., № 522-ЛХ-87.
20. The impact of air pollution on forest ecosystems and measures to enhance their resistance / N. P. Kalinichenko, V. D. Kasimov, A. A. Martynyuk, A. V. Romashkevich, S. M. Petrov e. a. // Proceedings of the Workshop on «Forest decline and reproduction: regional and global consequences» / YYASA, Austria, 1987.
21. Мартынюк, А. А. Биоэкологические основы формирования насаждений, устойчивых к промышленным эмиссиям / А. А. Мартынюк, Л. Л. Коженков // Экологические аспекты охраны и рационального использования биологических ресурсов. – Днепропетровск: ДГУ, 1989. – С. 34–38.
22. Martynyuk, A. A. Health condition assessment of the pine stands affected by technogenic pollution / Ecological monitoring in forestry / YUFRO, Usti n. L. – Forestry and Game Management Research Institute. – 1989.
23. Касимов, В. Д. Мониторинг лесов в условиях загрязнения / В. Д. Касимов, А. А. Мартынюк // Обзорная информация. – М.: ЦБНТИлесхоз, 1990. – 30 с.
24. Мартынюк, А. А. Оценка состояния сосновых древостоев, подверженных техногенному воздействию / А. А. Мартынюк // Защитные насаждения на водосборах: сб. науч. тр. ВНИИЛМ. – Пушкино: ВНИИЛМ, 1991. – С. 145–153.
25. Новожилова, Е. О. Экологический подход к рекультивации земель / Е. О. Новожилова, А. А. Мартынюк // Лесохозяйственная информация. – 1993 г. – № 6. – С. 15–20.
26. Мартынюк, А. А. Очаги поражения лесной растительности выбросами промышленных предприятий и стратегия лесного хозяйства в условиях загрязнения среды / А. А. Мартынюк, В. Д. Касимов // Экология леса и охрана природы: сб. науч. тр. ВНИИЛМ. – М.: ВНИИЛМ, 1993. – С. 3–18.
27. Состояние лесных насаждений и пути повышения их устойчивости в зоне влияния Братского промышленного комплекса / В. Д. Касимов, А. А. Мартынюк, В. И. Кондратов [и др.]. // Экология леса и охрана природы: сб. науч. тр. ВНИИЛМ. – М.: ВНИИЛМ, 1993. – С. 19–34.
28. Жидков, А. Н. Использование эпифитных лишайников в мониторинге состояния лесных фитоценозов / А. Н. Жидков, А. А. Мартынюк // Охрана лесной экосистемы и рациональное использование лесных ресурсов / Тезисы доклада Всероссийской научно-технической конференции : т. 4. – Мытищи: МГУЛ, 1994 г. – С. 52–53.
29. Нормирование выпадений кислотообразующих соединений серы и азота на лесные насаждения / А. А. Мартынюк, А. В. Костенко, Л. Л. Коженков, А. Н. Жидков // Охрана лесной экосистемы и рациональное использование лесных ресурсов / Тезисы доклада Всероссийской научно-технической конференции. Мытищи: МГУЛ, 1994 г. – С. 77–78.
30. Мартынюк, А. А. Загрязнение лесных подстилок и почв сосновых экосистем выбросами промышленных предприятий / А. А. Мартынюк, А. В. Костенко, Л. Л. Коженков // Антропогенное изменение почв Севера в индустр. развитых регионах. – Апатиты: КНЦ РАН, 1995. – С. 62–63.
31. Жидков А. Н. Использование эпифитных лишайников для оценки воздушной среды и состояния сосновых насаждений / А. Н. Жидков, А. А. Мартынюк // Лесохозяйственная информация. – 1995. – №11. – С. 28–34.
32. Мартынюк, А. А. Система нормативов и опыт нормирования техногенного воздействия на леса / А. А. Мартынюк, А. Н. Жидков, Ю. Б. Боронин // Влияние атмосферного загрязнения и антропогенных и других природных факторов на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Европы / Тез. доклада международной научной конференции. М.: МГУЛ, 1996. – Т. 1. – С. 47–49.
33. Мартынюк, А. А. Воздействие выбросов промышленных предприятий на леса и его экологическое нормирование : учеб. пособ. / А. А. Мартынюк, М. В. Щепащенко. – М.: МГУЛ, 1996. – 42 с.
34. Лесное хозяйство в условиях техногенеза / А. А. Мартынюк, Ю. Б. Боронин, А. Н. Жидков, А. В. Костенко [и др.] // Лесная наука на рубеже ХХI века / Тез. доклада конференции. – Гомель: Ин-т леса Беларуси, 1997. – С. 368–371.
35. Нормирование техногенного воздействия на леса / А. Н. Жидков, А. А. Мартынюк, Ю. Б. Боронин, Л. Л. Коженков // Состояние и мониторинг лесов на рубеже XXI века. – Минск: НАН Беларуси, 1998. – С. 259–263.
36. Мартынюк, А. А. Оценка техногенного загрязнения лесов Сергиево-Посадского опытного лесхоза в процессе лесоустройства / А. А. Мартынюк, В. Д. Касимов // Научно-исследовательские работы на базе С.- Посадского опытного лесхоза. – Пушкино: ВНИИЛМ, 1999. – С. 117–121.
37. Методика по ведению мониторинга лесных насаждений в музее- заповеднике Л. Н. Толстого «Ясная Поляна» и охранной зоне / А. А. Мартынюк, В. Д. Касимов, А. Д. Маслов, С. Ю. Цареградская. – М.: ВНИИЛМ, 2001. – 44 с.
38. Рекомендации по ведению лесного хозяйства в насаждениях Государственного мемориального и природного заповедника музея-усадьбы Л. Н. Толстого» и охранной зоны / А. А. Мартынюк, В. Д. Касимов, А. Д, Маслов, С. Ю. Цареградская, В. И. Желдак, В. Г. Стороженко, Д. В. Касимов / М.: ВНИИЛМ, 2001. – 40 с.
39. Опыт нормирования техногенного воздействия на леса / А. А. Мартынюк, Ю. Б. Боронин, А. Н. Жидков, А. В. Костенко, Е. В. Ромашкевич, Л. Л. Коженков // Лесохозяйственная информация. – 1998. – № 5–6. – С. 50–65.
40. Мартынюк, А. А. Диагностика состояния насаждений хвойных пород / А. А. Мартынюк, А. Н. Жидков, Л. Л. Коженков // Защита лесов России и перспективы ее развития. – Пушкино: ВНИИЛМ, 2000. – С. 107–111.
41. Влияние кислотных осадков на лесные экосистемы Подмосковья / А. А. Мартынюк, Е. В. Дороничева, Л. Л. Коженков, А. С. Михайлова // Проблемы лесоведения и лесоводства. – Гомель: Ин-т леса Беларуси, 2001. – С. 368–371.
42. Экологическое нормирование техногенного воздействия на леса: основные итоги исследований / А. А. Мартынюк, Л. Л. Коженков, Е. В. Дороничева, Т. В. Рыкова, Е. В. Ромашкевич // Проблеми екологi лiсiв i лiсокористування на Полiссi Украни. – Житомир: Волинь, 2001. – С. 116–124.
43. Техногенное загрязнение окружающей среды и итоги экологического нормирования химического воздействия на леса / А. А. Мартынюк, Л. Л. Коженков, Е. В. Дороничева, Т. В. Рыкова, А. С. Михайлова. – Пушкино: ВНИИЛМ, 2004. – С. 88 – 99.
44. Martynyuk A. A. The problems of forestry and national forestry policy of the Russian Federation / A. A. Martynyuk, Y. I. Gninenko // Forests in transition II: Challenges in Strengthening of Capacities for Forest Policy Development in Countries with Economies in Transition. – Hong Kong, United Nations University, 2004. – Р. 401–411.
45. Martynyuk A. A. Epiphyte lichen flora of pine communities as a indicator / A. A. Martynyuk // Biological methods in Integrated Plant Protection and Production / Poland. Pozna. 2006. – Р. 30–31, 79.
46. О некоторых экологических закономерностях в сосновых насаждениях при атмосферных осадках / А. А. Мартынюк, Е. В. Дороничева, Т. В. Рыкова, В. С. Таран // Вестник РУДН. – Сер.: Проблемы комплексной безопасности. – 2007. – № 3(11). – С. 43–47.
