Состояние лесных экосистем в условиях атмосферного загрязнения на европейском Севере (05.09.2011)

Автор: Тарханов Сергей Николаевич

Научная новизна исследований.

Новым аспектом является сравнительный анализ содержания серы и тяжелых металлов (Zn, Cu, Cd, Pb, Hg) в различных компонентах лесных экосистем для разных типов (групп типов) леса северной тайги. Дана сравнительная оценка уровней аэротехногенного загрязнения органогенных горизонтов почв и хвои ели бассейна Сев. Двины и Кольского полуострова.

На примере таежных экосистем Северо-Двинского бассейна исследован комплекс ответных реакций внеярусной растительности, напочвенного покрова и древесного яруса на хроническое воздействие атмосферных поллютантов от источников выбросов, прежде всего, ЦБК и ТЭЦ. Разработана региональная шкала чувствительности эпифитных лишайников к внешним факторам различных местообитаний в лесных ландшафтах, подверженных антропогенному, в частности атмосферному загрязнению. Даны предложения по использованию тест-видов и их отдельных параметров для оценки воздействия слабого хронического загрязнения.

По сути, впервые проведены широкие исследования внутрипопуляционной изменчивости сосны (Pinus sylvestris L.) и ели (Picea obovata Ledeb. * P. аbies (L.) Karst.) по комплексу признаков в северной и средней тайге бассейна Сев. Двины. Выявлены морфологические формы (8 – у сосны и 11 – у ели) в различных лесорастительных условиях. Определены их диагностические признаки. Показана адаптивная роль изменчивости биохимических параметров листового аппарата хвойных (на организменном уровне) и морфоструктуры разных форм сосны (на групповом уровне) в условиях постоянного избыточного увлажнения почвы и загрязнения воздуха. Выявлено, что в структуре изменчивости количественных признаков вегетативных органов сосны (Pinus sylvestris L.) индивидуальные различия деревьев колеблются от 10 до 69 %, а у ели (Picea obovata Ledeb. * P. аbies (L.) Karst.) – от 10 до 56 %. Установлены различия форм сосны в условиях аэротехногенного загрязнения и избыточного увлажнения в урожае шишек, а, следовательно, в их возобновительном потенциале.

Практическая значимость. Результаты исследований могут рассматриваться в качестве перспективного направления решения проблемы контроля за состоянием природной среды и могут быть использованы при разработке программ наземного мониторинга лесных экосистем.

Полученные материалы рекомендуется использовать при определении распространения и последствий влияния выбросов, в первую очередь ЦБК и ТЭЦ, на лесные экосистемы; обосновании предельно допустимых выбросов и, в целом, при региональном экологическом нормировании и планировании эколого-экономического развития региона; в разработке системы лесохозяйственных мероприятий для предотвращения трансформации и деградации лесных экосистем; селекции (выявлении, индивидуальном отборе, размножении) и введении устойчивых к атмосферному загрязнению форм в культуры при озеленении и проектировании санитарно-защитных зон, и в целом при проведении селекционно-лесоводственных мероприятий, направленных на сохранение биоразнообразия лесов; в учебном процессе в курсах лесоведения и экологии, научно-исследовательской работе студентов.

Личный вклад автора. Автором поставлены цель и задачи исследований, разработаны программы научно-исследовательских и экспедиционных работ, определены подходы, методы сбора и анализа материалов. В диссертации использованы экспериментальные данные, полученные лично автором или с его участием на всех этапах работ. Под его научным руководством защищены две кандидатские диссертации по специальности «Экология»: в Ботаническом институте им. В.Л. Комарова (в соруководстве с д.б.н., проф. В.Т. Ярмишко) и Институте биологии Коми НЦ УрО РАН. Соискатель, в течение 16 лет и по настоящее время руководил научными экспедициями и выполнял полевые исследования в районах Архангельской агломерации, низовье Сев. Двины, на юго-западе Беломорско-Кулойского плато, в верховье р. Вага. Обобщение, анализ и интерпретация представленных в диссертации данных выполнены лично автором. Основу работы составляют материалы 16-летних исследований автора в качестве научного руководителя ФНИР ИЭПС УрО РАН (№ госрегистрации: 01.950.004396; 01.200.112255; 01.2.00607687; 01.200.952773); в качестве ответственного исполнителя ФНИР (№ госрегистрации 01. 2. 007 01081). Работы, выполненные совместно с другими специалистами, опубликованы в соавторстве. В каждой теме автор выполнял основные разделы, независимо от научного руководства.

Обоснованность и достоверность результатов исследований. Выводы основаны на большом объеме экспериментального материала и применении научно-обоснованных методик сбора и статистических методов обработки исходных данных, обеспечивающих согласованность результатов и устойчивость решений. Исследования эпифитного лишайникового покрова и морфометрии хвойных проведены на 258 пробных площадях (ПП); изучение эпигейных мхов – на 48 ПП, формового разнообразия и поврежденности хвойных – на 134 ПП. Измерения различных параметров хвойных проведены на 8,5 тыс. модельных деревьев.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены на 21 международной и 17 всероссийских и региональных конференциях и совещаниях, в т.ч.: на межд. симпоз. «Environment in the Barents Region» (Kirkenes, Norvay, 1996); межд. конф. «Environmental Pollution ICEP» (Volgograd-Perm, 2001); межд. симпоз. «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга» (Сыктывкар, 2001); межд. конф. «Экология северных территорий России» (Архангельск, 2002); межд. конф. «Стационарные лесоэкологические исследования» (Сыктывкар, 2003); межд. конф. «Environment and Human Health. The complete Works of International Ecologic Forum» (St. Petersburg, 2003); межд. конф. «Актуальные проблемы изучения фито- и микобиоты» (Минск, 2004); межд. конф. «Актуальные проблемы экологии» (Гродно, 2004); межд. конф. «Проблемы физиологии растений Севера» (Петрозаводск, 2004); межд. науч-техн. конф. «Лесной комплекс, состояние и перспективы развития» (Брянск, 2005, 2006, 2007); межд. конф. «Природная и антропогенная динамика наземных экосистем» (Иркутск, 2005); межд. конф. «Современные экологические проблемы Севера» (Апатиты, 2006); межд. симпоз. «Экология арктических и приарктических территорий» (Архангельск, 2010); всерос. совещ. и выездная науч. сессия «Антропогенное воздействие на природу Севера и его экологические последствия» (Апатиты, 1998); «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2001); V всерос. популяционный семинар «Популяция, сообщество, эволюция» (Казань, 2001); всерос. конф. «Экологический риск-2001» (Иркутск, 2001); VI всерос. популяционный семинар «Фундаментальные и прикладные проблемы популяционной биологии» (Нижний Тагил, 2002); всерос. конф. «Экологическая безопасность Урала» (Екатеринбург, 2002); всерос. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности» (Москва, 2002); всерос. совещ. «Дендрохронология: достижения и перспективы» (Красноярск, 2003); всерос. конф. «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Йошкар-Ола, 2004; 2006); всерос. конф. с межд. участием «Северные территории России: проблемы и перспектива развития» (Архангельск, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 111 работ, в том числе 3 монографии в научном издательстве УрО РАН, 27 статей в рецензируемых журналах, включенных в Перечень ВАК.

Объем и структура работы. Рукопись общим объемом 381 машинописная страница состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов и приложения. Список литературы включает 513 источников, в том числе - 81 на иностранных языках. Работа содержит 72 рисунка, 85 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ЛЕСНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

Результаты многолетних исследований (Манаков, Никонов, 1981; Влияние промышленного…, 1990; Ярмишко, 1992; Лукина, Никонов, 1993, 1996; Кислотные осадки.... 1999; Цветков, Цветков, 2003) позволили обосновать основные принципы и подходы к формированию сети интенсивного мониторинга лесных экосистем в условиях загрязнения атмосферы, в основе которых лежат однотипность объектов исследования и пространственно-временная гетерогенность свойств лесных экосистем. Предпринимаются попытки (Игамбергиев, 1994) систематизировать существующие подходы к оценке состояния наземных экосистем северных регионов, подвергнутых антропогенному воздействию и атмосферному загрязнению. В частности, среди основных показателей, отражающих состояние экосистем (Семериков и др., 1992), называются: биохимические, физиологические, морфологические, филогенетические, популяционно-генетические, популяционно-экологические, параметры ценотического разнообразия. Экологические оценки на загрязненных территориях должны носить характер разноуровневой индикации. При многокомпонентной характеристике растительных сообществ, необходимой для комплексной оценки состояния лесных экосистем, применяют метод установления зависимостей типа «доза-эффект» (Федоров, 1976; Шварц, 1976; Лесные экосистемы…, 1990; Арманд и др., 1991; Степанов, 1991; Комплексная экологическая оценка, 1992; Воробейчик и др.., 1994; Manual …, 1994) и который широко применен нами в представленной работе.

Анализ состояния вопроса показывает, что проблеме оценки состояния лесных экосистем при аэротехногенном загрязнении уделяется большое внимание. Основательно исследованы многие вопросы, касающиеся поведения лесных насаждений при воздействии промышленных эмиссий, особенно, на Кольском полуострове, Урале, в Карелии. Широко известны работы по трансформации лесных почв в условиях атмосферного загрязнения, накоплен материал по выделению зон поврежденных лесов, изучены многие частные вопросы влияния кислотообразующих соединений, в частности, диоксида серы, и тяжелых металлов на отдельные компоненты почвенно-растительного покрова. В то же время, ряд вопросов по-прежнему слабо изучен или вовсе остается за рамками рассматриваемой проблемы.

Опыт оценки состояния лесных насаждений в регионах, где сосредоточены мощные предприятия лесопромышленного (прежде всего ЦБК) и теплоэнергетического комплекса, и оценки воздействия подобных производств с их спецификой загрязнения атмосферы имеют фрагментарный характер, а комплексный подход к данной проблеме отсутствует (Бобкова и др., 1997; Торлопова, Робакидзе, 2003). Часто исследования касаются лишь морфологии или только физиологии древесных растений на групповом уровне (на основе сравнения выборочных средних) (Тужилкина и др., 1998; Фуксман и др., 1997, 1998). Почти не освещены в литературе индивидуальные отклики деревьев на загрязнения в естественных условиях произрастания, с учетом разнообразия их форм.

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ

При рассмотрении природных условий (на примере Архангельской области) более подробно рассмотрены средообразующие факторы ключевых районов исследований, находящихся в зоне действия наиболее мощных загрязнителей региона – Архангельской агломерации и Котласского промышленного узла. Кратко описаны рельеф и геоморфология, климатические условия, лесные почвы и растительность на основе литературных сведений. Более детально дана характеристика формового разнообразия основных лесообразующих видов хвойных (семейства Pinaceae) в северной и средней тайге бассейна Северной Двины. Проанализированы оригинальные данные по частоте встречаемости и распространению морфологических форм сосны (Pinus sylvestris L.) и ели (Picea obovata Ledeb. * P. abies (L.) Karst.) в разных экологических условиях. Даны морфологические описания выделенных по прямым признакам форм (8 – у сосны и 11 – у ели) с определением косвенных диагностических признаков в условиях северной тайги.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основными объектами исследований являлись лесные экосистемы северной и средней тайги бассейна Северной Двины и Беломорско-Кулойского плато. Опытные участки расположены в типичных лесных ландшафтах преимущественно с равнинным или слегка волнистым рельефом и представлены в основном ельниками и сосняками черничными зеленомошной группы типов леса, произрастающими на подзолистых почвах легкого физико-механического состава с высокой кислотностью верхних горизонтов, бедностью подзолистого горизонта элементами питания, в частности, обменными основаниями, гумусом и азотом. Значительное число исследуемых участков в северной тайге представлено сосняками сфагновой группы на верховых торфяных и торфяно-глеевых почвах, с сильнокислой реакцией (рН солевой суспензии 2,6–3,2), высокой обменной и гидролитической кислотностью, очень низкой степенью насыщенности основаниями (менее 20 %), содержанием золы в верховом торфе 2–4 % (Паршевников, 1974).

Общие подходы. В основу проведения сравнительных оценок состояния лесных экосистем были положены следующие принципы: типичность исследуемых объектов в условиях северной и средней тайги; сходство условий местопроизрастания, геоботанической и лесоводственно-таксационных характеристик насаждений; градиентный подход для выявления зависимостей признаков от показателей аэротехногенной нагрузки; комплексный подход, основанный на изучении степени загрязнения и состояния разных компонентов лесных экосистем; исследования ответных реакций основных лесообразующих видов хвойных на основе внутрипопуляционной изменчивости признаков. Еще одним принципом являлась временная сравнимость параметров (в довольно близких временных диапазонах), учитывая их сезонную и возрастную изменчивость. Процедура свертываемости информации заключалась в выборе информативных признаков изучаемых видов – индикаторов (эпифитных лишайников, хвойных, мхов), имеющих широкие ареалы и отобранных нами по принципу «слабого звена» – наиболее чувствительных компонентов лесных фитоценозов к изменениям внешней среды, в т. ч., к влиянию техногенных факторов. Информативность признаков оценивали методами вариационной статистики. Оценку изменчивости признаков проводили на основе эмпирической шкалы С.А. Мамаева (1972), с определением вклада «индивидуального» фактора в общую фенотипическую изменчивость методом дисперсионного анализа (Леонтьев, 1966; Семериков, 1986).

Материалы и методики оценки аэротехногенного загрязнения и состояния лесных экосистем. Загрязнение приземных слоев атмосферного воздуха определяли согласно методике (Методика расчета…, 1987). Карты-схемы полей рассеивания загрязняющих веществ составляли при помощи унифицированных программ «Эколог» и «Гарант», согласованных с Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова (Мариева и др., 1999).

При геоботанической и лесоводственно-таксационной характеристиках пробных площадей руководствовались общепринятыми методами, а также указаниями и лесотаксационными справочниками (Сукачев, Зонн, 1961; Полевая геоботаника, 1964; Полевой справочник…, 1971; Моисеев, 1971; Методические рекомендации…, 1979; Анучин, 1982; Лесотаксационный справочник…, 1986; Рысин и др., 1988; Антропогенная динамика…, 1995; Гусев, 2000). Химические анализы почв были выполнены в лаборатории лесного почвоведения СевНИИЛХ.

При изучении состояния эпифитного лишайникового покрова в качестве основы использовали методику В.В. Горшкова (1990, 1991). Изучение напочвенного мохового покрова проводили по выработанной в процессе геоботанических исследований совместно с кафедрой ботаники и общей экологии Поморского госуниверситета методике (Наквасина, Чуракова, 1998; Тарханов, 2000).

Оценку повреждения деревьев проводили на пробных площадях согласно (Санитарные правила…, 1970; 1992; 1998), а в целом выборок деревьев главных лесообразующих видов – по формуле (Цветков, Цветков, 2003). Категорию повреждения древостоев определяли в соответствии с рекомендациями (Методические рекомендации…, 1990). Состояние ассимиляционного аппарата оценивали по стандартной методике, разработанной Европейской экономической комиссией (UN–ECE) для стран Европы (Hanisch, Kilz, 1990; Антропогенная динамика …, 1995) и шкалам, предложенным В.Т. Ярмишко (1997). Рассчитывали плотность повреждения древостоев по формуле, предложенной А.С. Алексеевым, Р.В. Жеребцовым (1995), показатель энтропии (Семевский, Семенов, 1982). При исследовании состояния сообществ деревообразующих трутовых грибов и гнилевого поражения древостоев в условиях аэротехногенного загрязнения использовали работы (Ставишенко и др., 2002; Стороженко, 2003, 2004). Количественные учеты урожая шишек в еловых насаждениях северной тайги проводили совместно с сотрудниками кафедры лесных культур Архангельского государственного технического университета под методическим руководством А.И. Барабина. Урожай ели определяли по методу А.И. Барабина (1987). У разных форм сосны на опытных участках (по 100 семеносящих деревьев каждой) проводили сплошной учет шишек.

Были выявлены формы по окраске мужских (у сосны) и женских (у ели) генеративных органов, росту и габитусу (у сосны), типу ветвления и строению коры (у ели), длине хвои (у сосны и ели), признаку треххвойности (у сосны). На отдельных пробных площадях у модельных деревьев (до 15 % общей численности деревьев) определяли комплекс структурных (морфологических) и биохимических признаков (измеряли или визуально определяли до 60 признаков). Для изучения эндогенной изменчивости признаков с каждого модельного дерева (взрослого или подроста) отбирали по 20 ветвей, на которых определяли морфометрические параметры охвоенных побегов в возрастной динамике (за последние 5–6 лет). При исследовании индивидуальной изменчивости производили их осреднение для каждого модельного дерева.

Общее содержание серы в образцах растений определяли турбидиметрическим методом (Методические указания…, 1986), подвижную серу в почве по методу ЦИНАО (ГОСТ 26490–85; ГОСТ 26426–85). Определение валового содержания тяжелых металлов в почве и растительном материале проводили в соответствии с общепринятыми методиками (Методические рекомендации…, 1981, 1986; Методические указания…, 1990; Методика выполнения…, 1993). Содержание Cd, Pb, Zn, Cu определяли методом распыления с атомизацией раствора в пламени на спектрофотометре «Спектр-5», а также на атомно-абсорбционном спектрофотометре фирмы Perkin Elmer. Содержание ртути в почве и растениях определяли на анализаторе ртути «Юлия-2М» (Методические указания…, 1990; Непламенный атомно-абсорбционный …, 1991). В основу методики изучения фотосинтеза был положен радиометрический метод, разработанный в Ботаническом институте им. В.Л. Комарова (Вознесенский и др., 1965). Концентрацию пигментов по методике (Шлык, 1971; Практикум…, 1990). В основу методики изучения водного режима в основном были положены общепринятые методы (Абражко, 1983). Для измерения рН гомогената использовали рН-метр лабораторный «Delta-320» (фирма Mettler, Швейцария). Активность пероксидазы определяли методом А.Н. Бояркина (1951) по скорости окисления бензидина. Для определения жизнеспособности пыльцы сосны подсчитывали процент ветвящихся, в том числе аномальных пыльцевых трубок. Длину пыльцевой трубки в каждом образце определяли при помощи окуляр-микрометра по 20 измерениям. Полученные данные обрабатывали с применением методов вариационной статистики (Свалов, 1977; Дисперсионный анализ, 1988; Зайцев, 1994) и использованием пакета программ Excel.

ГЛАВА 4. ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ БАССЕЙНА СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ

Региональные особенности загрязнения атмосферного воздуха. Лесные экосистемы Северо-Двинского бассейна испытывают долговременное постоянное воздействие (на протяжении 40–60 лет) аэротехногенных выбросов. Основными региональными источниками загрязнения атмосферы являются лесопильно-деревообрабатывающие, целлюлозно-бумажные предприятия, объекты теплоэнергетики и транспорт Архангельской агломерации (в 90-х годах прошлого века – 245 тыс. т в год) и Котласского промышленного узла (в 2000 г. – 31 тыс. т в год), Центр атомного судостроения в Северодвинске, космодром «Плесецк». В 2007 году в Архангельской области объем выбросов составлял 248 тыс. т. Среди выбросов Архангельского, Котласского, Соломбальского целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК), оказывающих вредное влияние на растительность, доминируют неорганическая пыль и серосодержащие соединения (диоксид серы, в незначительных количествах – сероводород, метилмеркаптан, диметилдисульфид), а теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) – диоксид серы и оксиды азота.

Накопление серы и тяжелых металлов в лесных насаждениях. В бореальных лесах органогенные горизонты почвы являются основным источником питания растений (Кислотные осадки…, 1999). Согласно нашим данным, среднее содержание сульфатов в органогенных горизонтах подзолистых почв (ельники черничные) в районах загрязненных выбросами предприятий Архангельской агломерации превышает их фоновый уровень в 3,7 раза, а максимальное превышение – в 27 раз (табл. 1).

Таблица 1 ? Содержание тяжелых металлов и сульфатов в органогенных горизонтах лесных почв ельников черничных исследуемых районов (мг?кг-1)

Параметры Pb Cd Zn Cu Hg SO4 2-

Районы аэротехногенного загрязнения * (n = 26)

min-max 1,07-89,35 0,01-0,43 1,46-320,4 0,22-197,96 0,02-0,36 0,192-259,2

x 16,59 0,15 50,25 12,75 0,17 28,8

Фоновые районы ** (n = 6)

min-max 6,96-10,86 0,01-0,46 5,68-50,78 1,65-4,90 0,09-0,26 4,8-9,6

x 8,70 0,14 23,01 3,45 0,19 7,7

Примечание. В табл. 1?4: n – число пробных площадей; min, max – минимальное и максимальное значения; x – среднее арифметическое значение.

* – локальный и субрегиональный территориальный уровень техногенного воздействия (Черненькова, Бочарников, 2003), ** – более 120 км от Архангельска.


загрузка...