Трансформация сосновых лесов Верхнего Приангарья, загрязняемых фторсодержащими эмиссиями

Актуальность проблемы. В последние десятилетия атмосферное загрязнение, наряду с воздействием насекомых-вредителей, пожарами и рубками, считается одним из приоритетных негативных факторов, вызывающих изменения в состоянии лесов бореальной зоны (Исаев и др., 1997; Ваганов, Плешиков, 1998; Effects 2002). Охватывая значительные территории и негативно влияя на леса, оно приводит к нарушению их средообразующих и средозащитных функций (Харук, 1998; Мониторинг ., 2000). К числу таких проблемных регионов бореальной зоны относится и Верхнее Приангарье (Михайлова, 2003).

Ответная реакция лесных экосистем на долговременное аэротехногенное загрязнение интегральна и выражается в разной степени их деградации. Ключевые тенденции трансформации лесных экосистем наиболее адекватно выявляются по изменению состояния их главного компонента — древесного яруса (Алексеев, Дочинжер, 1981; О взаимосвязи 1988; Рожков, Михайлова, 1989). Анализ пространственно-временной динамики состояния древо-стоев дает возможность разработки модели их «поведения» при определенной стрессовой нагрузке. Эта информация важна не только для создания современных природоохранных программ, но и для осуществления перспективного прогнозирования, в том числе по оптимизации допустимого техногенного воздействия аэропромвыбросов. При этом достоверность прогноза значительно возрастает, если он осуществляется на основе длительных непрерывных наблюдений, начатых с момента появления техногенного пресса. Подобного рода работ немного, а для Сибири они практически отсутствуют. В то же время, этот регион характеризуется активным развитием промышленности, в том числе алюминиевой. Помимо уже имеющихся заводов, здесь планируется создание новых мощных алюминиевых производств. Все эти предприятия отличаются большим содержанием в выбросах соединений фтоpa, обладающих высокой токсичностью для растений, особенно для хвойных пород. В связи с этим, актуальна оценка роли этого негативного фактора в изменении состояния лесных экосистем, осуществляемая по комплексу параметров, характеризующих степень угнетения древостоев, и корреляционно связанных с уровнем загрязнения.

Цель работы: исследовать пространственно-временную динамику эко-лого-физиологического состояния древостоев сосны обыкновенной при длительном воздействии фторсодержащих выбросов и дать прогноз развития ситуации в лесах.

Задачи исследований;

— изучить пространственные, многолетние и сезонные изменения накопления в хвое сосны элементов-токсикантов и ряда элементов-биофилов;

— на основе комплекса визуальных и морфофизиологических показателей дать оценку жизненного состояния древостоев разной степени ослабления;

— провести динамическое картографирование лесопокрытой территории, загрязняемой фторсодержащими аэропром выбросам и, результаты отразить на картах-схемах (Ml: 500 ООО);

— дать прогноз состояния лесов по нескольким возможным сценариям изменения объема фторсодержащих аэропром выбросов.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. На обследованной территории фториды являются приоритетными поллютантами, определяющими физиологическое состояние древостоев.

2. Ответная реакция древостоев на изменение интенсивности техногенной нагрузки характеризуется высокой степенью инерционности.

3. Пространственно-временная динамика состояния древостоев, подвергающихся воздействию промышленных выбросов, адекватно отражается методами эколого-фитотоксикологического картографирования.

Научная новизна работы. Показано, что при воздействии многокомпонентных эмиссий алюминиевых заводов доминирующая роль принадлежит фторсодержащим соединениям как основному негативному фактору, определяющему физиологическое состояние древостоев. Установлена тесная зависимость между изменением комплекса морфофизиологических параметров деревьев и накоплением в хвое приоритетных токсикантов — фторидов. Выявлены репрезентативные показатели, наиболее адекватно отражающие состояние древостоев при воздействии фторсодержащих эмиссий. Изучены закономерности пространственной, многолетней и сезонной динамики морфо-структурных параметров и элементного состава хвои древостоев разной степени угнетения. Выявлены особенности трансформации древостоев, зависящие от изменения уровня эмиссионной нагрузки, они заключаются в наличии выраженной инерционности состояния насаждений как при возрастании объема эмиссий, так и при его уменьшении. Разработан алгоритм обобщения данных для прогнозирования состояния ослабленных древостоев при разных сценариях изменения эмиссионной нагрузки. Показано, что пространственно-временные изменения состояния лесов адекватно моделируются методами динамического картографирования.

Практическая значимость работы. Полученные материалы о многолетней динамике состояния сосновых древостоев могут служить для обоснования уровня допустимых фторсодержащих эмиссий алюминиевых заводов и других предприятий, выбрасывающих фториды. Разработанные карты-схемы ослабления лесов могут использоваться административными органами как информационный базис при принятии решений по оптимизации лесохозяйст-венной деятельности на загрязняемых территориях, планировании мероприятий по предупреждению и устранению негативных процессов в лесных экосистемах. Результаты исследования включены в итоговые отчеты по хоздоговорным работам о состоянии лесов зеленой зоны города Шелехова и использовались Шелеховской городской администрацией при подготовке документации для разработки Федеральной программы «Комплекс неотложных мероприятий по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической обстановки и здоровья населения г. Шелехова Иркутской области» (Постановление Правительства РФ от 22.04.97 № 456). Материалы исследований неоднократно публиковались в докладах Государственного Комитета по охране природы о состоянии окружающей среды в Иркутской области (Экологическая 1993;95- Государственный., 1996;2001). Полученные материалы использовались также для прогнозирования состояния лесов в районе проектируемого алюминиевого завода в г. Тайшете Иркутской обл.

Апробация работы. Результаты исследований представлялись на 15 международных конференциях, в том числе «СибЭко-93» (Иркутск, 1993), «Экология и охрана окружающей среды» (Пермь, 1995), «Методы оценки, состояния и устойчивости лесных экосистем» (Красноярск, 1999), 3-й Международной Верещагинской Байкальской конференции (Иркутск, 2000), 6-м Международном симпозиуме «Acid rain-2000» (Tsucuba, 2000), «Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality» (Иркутск, 2001), «Средообразующая роль бореальных лесов: локальный, региональный и глобальный уровни» (Красноярск, 2002), «Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар, 2003), III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионук-леиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), «Plant Responses to Air Pollution and Global Changes» (Tsukuba, 2004) — на 11 Всероссийских конференциях, в том числе, «Физико-химические основы физиологии растений» (Пенза, 1996), «Экология таежных лесов» (Сыктывкар, 1998), «Экология и рациональное природопользование на рубеже веков. Итоги и перспективы» (Томск, 2000), «Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды» (Иркутск, 2000), «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (Красноярск, 2004), а также на ряде региональных совещаний.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка использованной литературы, включающего 351.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. На обследованной территории фторсодержащие эмиссии являются приоритетным негативным фактором, определяющим физиологическое состояние сосновых древостоев. Содержание фтора в хвое сосны превышает фоновые концентрации в 2−20 раз, серы, свинца, ртути, железа, меди, кадмия, алюминия, кремния — в 2−10 раз.

2. При ослаблении сосновых древостоев фторсодержащими выбросами в хвое уменьшается содержание калия, марганца, цинка, фосфора и его кислоторастворимых фракций, белковых соединений, в то время как уровень небелковых веществ возрастает, вследствие чего нарушается соотношение между фракциями азота.

3. Многолетние изменения содержания элементов, как токсичных, так и биофилов, в хвое угнетенных деревьев зависят от количества выбросов и от гидротермических условий вегетационных периодов.

4. Установлена высокая степень детерминации изменения морфофи-зиологических параметров деревьев от уровня накопления фтора в хвое, что описывается нелинейными функциями.

5. Выявлены показатели, наиболее адекватно отражающие состояние деревьев при угнетении фторсодержащими эмиссиями: содержание калия, марганца, цинка, фосфора и его кислоторастворимых фракций, соотношение белковой и небелковой фракций азота. В соответствии с их изменением на обследованной территории выделены древостой разной степени угнетения — сильной, средней, слабой, а также фоновые (относительно здоровые).

6. Многолетние изменения морфофизиологических показателей свидетельствуют, что при долговременном воздействии выбросов состояние древостоев характеризуется выраженной инерционностью, проявляющейся как при возрастании объема эмиссий, так и при его уменьшении.

7. Динамическое картографирование древостоев, подвергающихся воздействию фторсодержащих эмиссий Шелеховского промузла, показало, что за прошедшее десятилетие общая площадь ослабленных лесов увеличилась почти вдвое и составляет более 130 тыс. га, в том числе сильно угнетенных — 12 тыс. га, средне угнетенных — 54 тыс. га, слабо угнетенных — 66 тыс. га. В современный период практически не обнаруживается усыхающих насаждений, вдвое уменьшилась площадь сильно угнетенных, и почти в 2 раза расширилась территория средне и слабо угнетенных древостоев.

8. Осуществлено прогнозирование состояния лесов на ближайшее десятилетие в зависимости от изменения техногенной нагрузки. Показана возможность резкого ухудшения состояния лесов при увеличении объема выбросов Шелеховского промузла на 30% от современного уровня.