Состояние хвойных насаждений зоны широколиственных лесов и репродукция сосны обыкновенной в условиях промышленного загрязнения: на примере северо-западной части Брянской области

Актуальность темы

диссертации. Загрязнение природной среды — качественно новый внешний антропогенный фактор, влияние которого на природные экосистемы приобрело в настоящее время глобальные масштабы и оказывает значительное влияние на устойчивость лесных насаждений. Техногенное загрязнение воздушной среды аэрополлютантами приближается к пределу допустимой нагрузки на экосистемы, а в ряде мест и превышает её. Массовое повреждение и усыхание лесов в промышленно развитых странах носит характер настоящей экологической катастрофы. Это обусловливает необходимость изучения влияния промвыбросов на состояние лесов, которое позволит более объективно оценить возникающие причинно-следственные связи, определить прогноз развития лесов и обеспечить возможность выработки мероприятий по снижению негативных тенденций.

Под действием загрязнителей из лесного фонда исчезает ряд чувствительных видов, снижается биоразнообразие лесных экосистем, адаптивность деревьев, ограничиваются репродуктивные процессы. Особенной чувствительностью к действию антропогенных факторов обладают хвойные насаждения, в частности сосновые.

Актуальность темы

диссертации определяется основными принципами Лесного законодательства (Лесной кодекс РФ, 2006; гл. 1, ст. 1) и «Правил лесовосстановления» (Приказ МПР РФ от 16.07.2007 № 183):

— сохранение средообразующих, .защитных, санитарно — гигиенических. и иных полезных функций лесов.;

— обеспечение. рационального, непрерывного, неистощительного использования лесов.;

— воспроизводство лесов, улучшение их качества.

Работа выполнялась в рамках научно-исследовательской тематики БГИТА № 60 303 «Научное обоснование управления и мониторинга биоресурсов на популяционно-ландшафтной основе». 6.

Проведенные исследования направлены на определение состояния хвойных насаждений и репродуктивных процессов сосны обыкновенной в зонах техногенеза. Своевременное выявление патологических изменений в насаждениях позволит определить направления лесовозобновления в связи с уровнем воздействия и природой аэрополлютантов, дать оценку и прогноз развития ситуации. Полученная информация может быть использована в системе мониторинга лесов и в разработке комплекса лесохозяйственных мероприятий, направленных на сохранение, естественное восстановление и повышение устойчивости лесных экосистем.

Объект и предмет исследований. Объект исследований — хвойные БГЦ в районах хронического воздействия аэрополлютантов кислой и щелочной природы. Предмет исследований. — изменения состояния компонентов хвойных биогеоценозов (состояние древостоя, лихеносинузий, мужской и женской генеративной сферы сосны обыкновенной, возобновления) Брянской области, находящихся под хроническим воздействием промышленных эмиссий различной химической природы.

Цели и задачи исследований. Цель работы — выявление сравнительных характеристик воздействия промышленных поллютантов различной химической природы на санитарное состояние насаждений хвойных пород, на репродуктивные способности древостоев, возможностей использования по-пуляционных показателей эпифитных лишайников в качестве биоиндикаторов степени воздействия загрязнений лесных ценозов.

Для достижения поставленных целей были сформулированы следующие задачи:

— провести лесопатологическое обследование хвойных насаждений в районах воздействия промышленных загрязнений щелочной и кислой химической природы;

— детально обследовать компоненты хвойных биоценозов на пробных площадях (древостой, лихеносинузии);

— изучить показатели репродуктивной способности сосны обыкновенной при воздействии различных по химической природе поллютантов, состояние подроста и подлеска;

— обосновать рекомендации по возобновлению сосновых биоценозов в районах техногенного воздействия.

Научная новизна и значимость результатов. Полученные результаты и сформулированные в них положения и выводы являются вкладом в развитие теоретических основ экологии растений и устойчивости лесных экосистем к воздействию аэрополлютантов различной химической природы. Впервые для условий зоны широколиственных лесов изучены изменения параметров состояния компонентов хвойных БГЦ при хроническом воздействии фтористых выбросов, проведены исследования по использовании индикаторов повреждений хвойных лесов и обоснованы биоиндикационные параметры зонирования территории промышленного воздействия, дача оценка состояния женской и мужской репродуктивной сферы сосны обыкновенной в условиях хронического воздействия промвыбросов различной химической природы, произведен сравнительный анализ влияния фтористых и щелочных промвыбросов па состояние подроста и подлесочных растений, определены основные направления возобновления сосновых БГЦ в различных по уровню воздействия загрязнений зонах.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Изменение состояния хвойных БГЦ зависит от состава и уровня воздействия аэрополлютантов. При усилении воздействия ухудшается санитарное и лесопатологическое состояние древостоев. Действие выбросов фтористой природы является более агрессивным и оказывает более сильное влияние на состояние лесных ценозов.

2. Показатели состояния компонентов хвойных БГЦ позволяют выявлять зоны по уровню хронического воздействия поллютантов различной химической природы.

3. В составе и распространении лихеносинузий происходят значительные изменения: снижается проективное покрытие на Ь]?з м, встречаемость и длина района поселения. Для биоиндикации территорий наиболее информативны популяционные показатели поселения лишайников: Lepraria incana Ach., Hypogymnia physodes L.

4. Хроническое промвоздействие вызывает существенное ухудшение женских и мужских репродуктивных процессов сосны обыкновенной, причем фтористые выбросы оказывают более сильное влияние на процессы репродукции, чем щелочные. Под влиянием аэрополлютантов происходят закономерные изменения в составе, густоте и состоянии подроста и подлеска.

Обоснованность выводов и практическая значимость работы подтверждается значительным по объему и разнообразным экспериментальным материалом, длительным периодом эксперимента, применением научно-обоснованных методик, использованием современных методов обработки, анализа, оценки данных.

Личный вклад автора. Все работы по темедиссертации (разработка программно-методических положений, обобщение результатов предыдущих исследований, сбор, обработка и анализ экспериментальных материалов) осуществлены лично автором или при его непосредственном участии:

Выражаю огромную благодарность доктору сельскохозяйственных наук В. П. Шелухо, кандидату сельскохозяйственных наук, доценту Г. А. Кис-терному, сотрудникам лесохозяйственного факультета за помощь, замечания и оказанную поддержку при выполнении и подготовке диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на международных, региональных научно-практических конференциях, ежегодных конференциях по итогам НИР БГИТА, отражены в публикациях в центральной и региональной печати, в том числе на международных конференциях: «Леса Евразии — Русский север» (Петрозаводск, 2007), «Экология — 2007: эстафета поколений» (Пущино, 2007), «Леса Евразии — Север9 ный Кавказ» (Сочи, 2008), «Экология — 2008: эстафета поколений» (Пущино, 2008).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 — в издании, рецензируемом ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит общую характеристику работы, 8 глав, заключение. Общий объем работы — 182 страницы, включает 52 таблицы, 49 рисунков. Список использованных литературных источников — 198 наименований, из них 11 на иностранном языке.

1 Состояние вопроса.

Лес — важнейшая часть биосферы нашей планеты. Он оказывает влияние на поддержание устойчивости и сбалансированное взаимодействие элементов природы, выполняет водоохранную, водорегулирующую, климаторегулирующую, почвозащитную, санитарно-гигиеническую и другие полезные функции, поддерживает качество и неизменность состава атмосферного воздуха.

Лес представляет собой самовоспроизводящийся источник органического сырья, незаменимого в материальном производстве и удовлетворяет рекреационные потребности людей. По своей биопродуктивности лесные биогеоценозы стоят в первых рядах экологических систем биосферы (Добровольский, 1988).

Устойчивость и стабильность функционирования лесных экосистем зависят от целого ряда как природных так и антропогенных факторов. В последние десятилетия атмосферное загрязнение, наряду с воздействием пожаров, рубок, паразитической и патогенной биоты способствует нарушению устойчивости лесов на значительных территориях (Сидорович и др., 1988; Соловьев и др., 1989; Рожков, Козак, 1989; Исаев и др., 1997; Михайлова и др., 2004 и др.). В промышленно развитых регионах России аэротехногенное воздействие становится приоритетным фактором, влияющим на состояние лесов, продуктивность и их возобновление (Кулагин, 1974; Илькун, 1978; Смит, 1985; Лукина, Никонов, 1996; Степан-чик, Василенко, 1996; Харук и др., 1996; Николаевский, 1996; Ворон и др., 2000; Демаков, 2000; Менщиков и др., 2001; Михайлова, 2003; Миронов, Коробов, 2004; Коробова, 2008 и др.).

Загрязнения влияют на биоразнообразие и устойчивость лесных сообществ. Исследования влияния техногенного воздействия на лесные ценозы имеют давнюю историю.

Впервые фитотоксичный эффект промышленных эмиссий был описан в 1849 г., а спустя 100 лет в промышленных районах Восточной Германии, Польши и Чехословакии началось широкомасштабное усыхание лесов, достигшее катастрофических размеров (Teshe, Wienhaus, Godzik, 1993).

Штекхард впервые установил и научно обосновал связь между лесными повреждениями и эмиссионной техногенной нагрузкой, которую он тогда назвал «свободным и могильным прахом металлургических заводов». Анализируя спиртовые хвойные вытяжки из насаждений, подвергнутых «свободному праху», он первым обнаружил повышенные концентрации свинца, мышьяка и серы по сравнению с контролем и установил наличие «дымового вреда».

В настоящее время проблема устойчивости лесов в районах техноге-неза приобрела особую актуальность в связи с острой необходимостью разработки научных основ оптимизации природной среды, сохранения биоразнообразия, снижения ущерба, причиняемого лесным экосистемам промышленными выбросами.

Техногенное загрязнение атмосферы — серьезный экологический фактор, действие которого влечет за собой угнетение роста и развития древесной растительности (Десслер, 1981). Мониторинг лесов стран Европы свидетельствует о том, что поврежденность их распространяется далеко за пределы локальных источников промышленных эмиссий (Тарханов, 2004).

Степень поражения растений загрязняющими веществами зависит от целого ряда факторов и, прежде всего, от вида и концентрации токсикантов, экспозиции их воздействия, а также от состояния и характера лесонасаждений (их состава, возраста, полноты и др.), метеорологических и других условий (Воронцов, 1979). Более устойчивыми к действию токсических соединений являются молодняки и средневозрастные, а менее устойчивыми — спелые и перестойные лесные насаждения (Чжан, 1999; Тарханов, 2004). Лиственные породы более устойчивы к действию токсикантов, чем хвойные (Рунова и др.,.

1996; Петров и др., 1999; Щербинина, 2002 и др.). Высокополнотные, с.

12 ¦ обильным подлеском и ненарушенной структурой древостой устойчивее из-реженных искусственных насаждений (Добровольский, 1988).

Действие высоких концентраций токсикантов на древостой за короткий период приводит к необратимым повреждениям и гибели. Длительное воздействие небольших концентраций вызывает патологические изменения в древостоях, а незначительных — снижение жизнедеятельности отдельных деревьев. Поражение лесов различной степени практически наблюдается в районе любого источника промышленных выбросов (Артамонов, 1986). Состояние сосновых насаждений не улучшается даже после снижения техногенного пресса, т. е. эффект от действия загрязнений является инерционным (Ворон и др., 2000,2001 и др.).

К наиболее распространенным газообразным антропогенным загрязнителям относят: окисиды серы, азота, озон, соединения углерода, фтора, хлора и др. Помимо газов в атмосфере присутствуют твердые и жидкие аэрозоли. Содержание газообразных загрязнителей воздуха, таких как SOx, NOx возрастает по мере приближения к урбанизированным территориям (Барахтенова, Иванов 1988; Masaaki, 2002).

Соединения серы и азота играют доминирующую роль в подавлении жизнедеятельности хвойных из-за преобладания в общем объеме выбросов газообразных аэрополлютантов (Коровин и др., 2003). Установлены ПДК для растительности (Николаевский, 1980), однако они даже для одной древесной породы отличаются в зависимости от условий произрастания.

Сильное загрязнение воздуха сернистым ангидридом снижает морозоустойчивость насаждений в 2.4 раза по сравнению с насаждениями в чистых районах (Федорков, 2002). Аэрополлютанты угнетают рост побегов сосны обыкновенной, вызывают изменение содержания фотосинтетических пигментов и скорость потенциального фотосинтеза хвои (Коновалов, Тарханов, Костина, 2001; Сергейчик, Сергейчик, 2005).

Под воздействием техногенных выбросов происходит снижение эффективности деятельности ассимиляционного аппарата, отмечаются видимые и скрытые нарушения ассимилирующих органов (Дьяконов, 1996; Рязанцева и др., 1999; Тутыгин, Дрожжин, 2002 и др.).

Продолжительность жизни хвои сосны меняется с удалением от источника выбросов. Непосредственно вблизи от источника встречается хвоя 1−2 лет. Хвоя 4−5 лет встречается в зоне не подвергнутой воздействию (Хальб-ваш, 1988). У сосны обыкновенной, произрастающей в условиях повышенного промышленного загрязнения, наблюдается изменение морфофизиологиче-ских показателей хвои, отмечались точечные и концевые некрозы, тенденция к уменьшению длины хвоинок (Глушкова и др., 1998; Хан, 2000; Торлопова и др., 2000; Неверова, Колмогорова, 2002; Прожерипа, Валкама, 2008 и др.). В 2-летнем возрасте хвоя еще может быть классифицирована как здоровая или условно здоровая, в 3 — летнем возрасте начинают проявляться симптомы существенного воздействия экстремальных факторов, в том числе и атмосферного загрязнения, а в 4.5 летнем отчетливо видны ее поврежден-ность и умеренная дефолиация кроны (Петров и др., 1999; Иванов, 1998; Тарханов, 2004).

В сфагновых сосняках по мере увеличения аэротехногенной нагрузки происходит значительное изреживание крон деревьев вследствие развития хлорозов и некрозов, снижение густоты охвоения побегов (Басова, 2001; Майсеенок, 2001).

В.В. Тужилкина, Н. В. Ладонова, С. Н. Плюснина (1998) отмечают, что поллютанты способствуют ослаблению процессов хлорофиллонакопления в ассимиляционной ткани, вызывают определенные перестройки в структуре клеток мезофилла, которые приводят к существенным нарушениям процессов метаболизма у деревьев.

С увеличением загрязненности воздуха отмечаются негативные изменения химического состава сосновой хвои {Malzahn Elzbieta, 1999). С ухудшением жизненного состояния насаждений в хвое сосны снижается число.

14 макроэргических соединений, сахарофосфатов, зеленых пигментов и увеличивается число неорганического фосфора, крахмала и глюкозы (Теребова и др., 2003).

В сосновых насаждениях, произрастающих на территориях, прилегающих к промышленным городам, происходит ухудшение состояния ассимиляционного аппарата, макроструктурных показателей и условной плотности древесины сосны (Щекалев, Тарханов, Прожерина, 2001).

Хвойные растения характеризуются определенной индивидуальной изменчивостью метаболических признаков, которая может быть результатом генотипических различий (Семериков, 1986). Известно, что промышленное загрязнение как сильнодействующий экологический фактор может изменять уровень индивидуальной изменчивости растений, и увеличивать амплитуду варьирования признаков в неблагоприятных условиях (Мамаев, 1972).

По данным В. Н. Коновалова и др. (2001), масса хвоинок сосны у деревьев, произрастающих в непосредственной близости к источнику выброса загрязнения, снижается до 2,5 раз, а длина хвои — в 1,5 раза по сравнению с деревьями удаленных территорий.

В условиях промышленного загрязнения отмечены тенденции к сокращению вегетационного периода и периода интенсивного роста побегов с ухудшением состояния дерева. Это сопровождается возрастанием относительного содержания запасных и структурных форм углеводов, изменением соотношения белкового и небелкового азота. Затрудняется эффективное использование элементов минерального питания в процессах роста (Сазонова и ДР-, 1999).

О физиологическом ослаблении древостоев свидетельствует низкий уровень марганца и соотношения белкового и небелкового азота в хвое. Деревья характеризуются повышенным уровнем содержания токсикантов, дисбалансом элементного состава, подавлением ростовых процессов (Братю-щенко, 1998).

По мере приближения к источнику эмиссий происходит уменьшение радиального прироста стволов деревьев. Так, на расстоянии от источника эмиссий до 5.7 км, ширина годичного прироста составляет 60.70% от значений данного показателя на расстоянии 45.100 км (Щекалев, Тарханов, 2001; Шелухо, 2003; Рунова и др., 2006). Снижение приростов в зонах различной степени поражения обусловлено ускорением биологического развития растений в условиях антропогенного стресса, уменьшением биологической продуктивности древостоев и сопряженного с ним общего энергетического обмена (Барткявичус, Тябера, 1982; Тавнин и др., 1996; Усанова, 1998).

В коре деревьев, произрастающих в зоне техногенного загрязнения, выявлено снижение количества экстрактивных веществ: смол, дубильных веществ и пектинов. За счет этого увеличивается содержание целлюлозы в коре, что снижает иммунитет растений и делает их беззащитными к воздействию внешних факторов: температурному стрессу, бактериям и патогенным грибам (Хуттен, 1988; Попов, Шейкин, 1996).

Под действием атмосферных загрязнителей претерпевают серьезные изменения практически все элементы внешней и внутренней структуры растений, их химический состав и жизнедеятельность. Усиливаются процессы отмирания ветвей в кронах, снижаются запасы фитомассы, изменяется габитус молодых деревьев, наблюдаются процессы ускоренного старения и усы-хания растений (Ярмишко, 1996, 1997).

А.А. Мартынюк и С. И. Петров (1986), при изучении динамики поступления опада в сосновых насаждениях, ослабленных промышленными выбросами, пришли к выводу, что его поступление зависит от расстояния до источника выбросов. Динамика поступления опада в ослабленных насаждениях подчиняется общим закономерностям для сосны — максимум поступает осенью. Однако, интенсивность и годичная масса вблизи предприятия выше, чем на удалении от него. Состав опада из силыюослабленных древостоев характеризуется повышенным участием активной фракции в течении всего периода наблюдения. Здесь интенсивно опадает хвоя старших возрастов.

Установлено (Степанчик, 1998), что санитарное состояние насаждений, примыкающих к крупным источникам загрязнения атмосферы, довольно неблагоприятное. Только 9,5% деревьев являются здоровыми. Основная масса сосняков в зонах влияния промышленных центров относится к ослабленным.

Обнаружено (Алексеев и др., 1989), что в наиболее загрязненных районах происходит распад насаждений. Длина приростов в высоту уменьшается на 30.40%. В стебле замедляются темпы формирования проводящих тканей, снижаются показатели развития первичной коры и сердцевины (Петункина и др., 1997).

Аэротехногенное воздействие на леса вызывает негативные изменения на разных уровнях экосистемной организации, приводит к гибели отдельных видов и сообществ и деградации насаждения в целом (Алексеев, Сабиров, Михеев, 1996; Васильева, Гитарский, Карабань, Назаров, 2000; Морозкин, Калимуллина, Салова, Шпак, 2001).

По мнению Т. А. Михайловой (1998) процесс угнетения древостоев проходит несколько стадий: слабое угнетение (переходное состояние между фоновым и устойчивой хронической болезнью) в физиологическом аспекте проявляется в появлении достоверных нарушений метаболизмасреднее угнетение (устойчивая хроническая болезнь) физиологически — это снижение адаптационных возможностей и усиление депрессии ростовых процессовсредне-сильное угнетение, (хроническая болезнь критического периода) основная физиологическая особенность этой стадии в том, что защитные механизмы находятся на грани подавлениясильное угнетение (состояние необратимого ослабления с началом усыхания) физиологически проявляется в резком подавлении ростовых процессов и защитных механизмовусыхание и распад древостоя. А. Н. Жидков (2000) выделяет 5 классов по-врежденности насаждений, А. С. Рожков и В. Т. Козак (1989) — 4 фазы.

В.Ф. Цветков (1998) в процессе деградации выделяет несколько этапов: фоновый (процессы метаболизма проходят в характерном режиме) — преддегрессивный (колебания уровней функционирования более часты и.

17 значимы, отклонения превышают флюктуации, элиминируют чувствительные виды) — дегрессивный (постоянная деградация древостоя при сохранении эдификаторной роли древесного яруса) — начало структурной перестройкиактивная структурная перестройка.

Промышленные эмиссии значительно нарушают химизм не только осадков, но и физико-химические свойства почв и подстилки. Наиболее ощутимые изменения в почвах наблюдаются в зоне цементных производств. Действие загрязнения на лесные экосистемы усиливается изменением гидрологического режима почв, рекреационной нагрузкой, засухами (Ворон и др., 1980, 1990, 1996; Чертов, 1983; Гришина и др., 1990 и др.).

Цементное производство — самый значимый источник загрязнения среды сильнощелочной пылью. Последствия действия цементной пыли на экосистемы довольно трудно оценить. По мнению О. Kontrisova и др. (1996) эмиссии цементного завода по влиянию на запас древесины могут быть даже полезны (за исключением ближайших окресностей), т.к. повышают рН почвы и служат источником дополнительных питательных веществ. Но в тоже время, с ними приносятся потенциально опасные вещества, приводящие к интоксикации почвы.

Действие пылевых выбросов цементного производства на прилегающие к источнику лесные насаждения проявляются в процессе седиментации ее из атмосферы. А. С. Алексеев и Ю. И. Лепнинский (1988) установили, что лесопокрытые территории в среднем в 26 раз эффективнее, чем открытые места, предотвращают распространение выбросов. При седиментации пылевые частицы оседают на ассимиляционные органы древесно-кустарниковой растительности и живого напочвенного покрова, откуда смываются в почву.

Цементные частицы имеют сильнощелочную реакцию. При взаимодействии с осадками, на поверхности хвои образуется щелочь, нарушающая биохимические процессы в хлоропластахобразуется цементная корка, резко ухудшающая тепловой баланс и увеличивающая потери растения на дыхание.

Соколов, 1996). Повышается вероятность появления грибных заболеваний.

• 18 хвои из-за разрушения структуры воска кутикулы (Хуттунен, 1988). Цементная пыль закупоривает устьица, вызывая нарушения газообмена, что в условиях дефицита влаги может привести к обезвоживанию растения (Лайранд, 1978). Снижение оводненности ассимиляционных органов может приводить к снижению оводненности луба, что, в свою очередь, будет способствовать ослаблению ствола дерева и делать его пригодным к заселению ксилофагами.

При цементном загрязнении изменяется состав и содержание зольных элементов в хвое (Чертов, 1990). В сосновой хвое накапливается кальций и магний, что связано с известкованием почв (Бериня и др., 1985).

Хвоя первого года при запылении укорачивается и изменяет окраску. Покраснение и побурение наблюдается у двухлетней хвои. По данным Ю. З. Кулагина (1974) щелочная пыль на взрослую хвою не действует.

Хроническое загрязнение воздуха цементной пылью нарушает физиологические реакции растений, что сказывается на обмене веществ и на приросте биомассы. В результате воздействия пыли в древостое сосны наблюдается достаточно четкая тенденция уменьшения размеров ствола (по высоте и диаметру) и кроны деревьев с ухудшением их состояния, также происходит значительное изменение формы крон, снижение приростов и общей продуктивности. Отношение длины кроны к высоте дерева уменьшается (Бабушкина, Луганский, 1990). Преобладают деревья с кронами среднеэлиптической формы, кроны деревьев не являются ассиметричными (Ворон, 1980).

Значительно снижается устойчивость лесных сообществ, что приводит к образованию очагов энтомовредителей, увеличению отпада и его среднего диаметра по мере приближения к источнику выбросов (Леман, 1999; Шелухо, 2001).

Лесная подстилка и почва выступают в качестве приемника пылевых загрязнений. Изменение химических параметров почвы отражаются па росте и продуктивности элементов фитоценоза. Для лесных деревьев, получающих минеральное питание за счет микоризы, подщелачивание почвы опасно из-за выраженной оксилофильности микоризообразующих грибов (Лобанов, 1953).

Загрязнение приземного слоя воздуха отражается на структуре всего фитоценоза. По мере роста загрязнения атмосферы уменьшается видовое разнообразие живого напочвенного покрова (Акулов, Яценко, 1995; Соломни-ков, 1997; Шелухо, 2002).

Из поллютантов кислой природы наиболее фитотоксичными являются соединения фтора.

Токсическое влияние фтора на растения и животных известно свыше 100 лет и подтверждено многочисленными исследованиями (Renter и др., 1997, Рунова, Захаренко, 1998, Ямбург, 1999 и др./ Отравляющее воздействие фтористого водорода во много раз сильнее действия других кислых газов (Рожков, Михайлова, 1989; Weinsten, Davison, 2003). Летучие фториды в 600.900 раз более токсичны для сосновых насаждений, чем двуокись серы о.

Ямбург, 1999). Концентрация фтора, превышающая 0,1 мг/м, вызывает относительно быстрое развитие процесса необратимого ослабления и усыха-ния хвойных деревьев.

Для растений фтор не является органогенным элементом и в норме содержится в их тканях в очень низких концентрациях (Михайлова и др., 2005).

Загрязнение воздуха фторидами вызывает значительные разрушения пигментов в листьях растений. Установлено (Приседский, 1985), что фториды разрушают ультрастурктуру хлоропластов, вызывая их дегенерацию и ингибируют включение, а — аминомасляной кислоты в порфириновую фракцию, нарушая синтез хлорофилла. Хвоя характеризуется увеличенным содержанием феофитина. Уровень накопления фтора в хвое не связан с возрастом дерева и повышается с увеличением возраста хвои (Рунова, 1999).

Влияние фторсодержащих выбросов вызывает значительное уменьшение радиального прироста сосны и лиственницы. У здоровых деревьев после начала воздействия промвыбросов радиальный прирост уменьшается в среднем на 20%, у ослабленных и усыхающих деревьев — на 48% (Рунова, и др., 1996).

В насаждениях, расположенных на различном удалении от источников, выбрасывающих фторсодержащие компоненты, выявлено, что 90% деревьев в той или иной степени ослаблены и повреждены (Рунова, Захаренко, 1998).

В хвойных насаждениях происходит существенное накопление фтора. Негативное воздействие этого элемента сказывается на жизнедеятельности почвы и древесных растений (Сараев, Евстропьева, 2000; Karolewski, Siepak, Gramowska, 2000).

При оценке состояния и прогнозировании изменений лесных экосистем в условиях техногенного воздействия одним из важнейших аспектов является характеристика репродуктивной деятельности основных лесообра-зующих пород-эдификаторов (Ставрова, 1992).

Генеративная сфера сосны обыкновенной, формирующая будущее потомство, также подвержена воздействию аэрополлютантов. Атмосферные загрязнения оказывают влияние на жизнеспособность пыльцы, женские шишки, образование семян и их качество (Подзоров, 1965; Осколков, 1999 и др.). Под действием поллютантов у сосны обыкновенной, как и у других видов, снижается качество пыльцы, сохранность семязачатков (Федорков, 1999; Осколков, 1999; и др.).

Атмосферное загрязнение вызывает изменения в мужской генеративной сфере, степень которых зависит от интенсивности промышленных выбросов (Осколков, 1998). В непосредственной близости от источников загрязнений наблюдается повышенный процент аномалий в семязачатках, приводящий к их дегенерации (Тарбаева, 1997): аномальной пыльцы: подковообразные, линзовидные и воротничковые формы, пыльцевые зерна с одним, тремя и четырьмя воздушными мешками. Большую часть аномальных пыльцевых зерен составляет мелкая и незрелая, дегенерировшая пыльца (Третьякова, Носкова, 2004).

При изучении семеношения сосны обыкновенной в районе загрязнения воздуха цементной пылью (Хромова, Романовский, 2002) было обнаружено, что частицы пыли попадают на нуцеллус семязачатка наряду с пыльцевыми зернами. Несмотря на преимущество пыльцы как опылителя, опыляется 59% семяпочек, а 21% имеют на нуцеллусе лишь частицы цементной пыли.

Под воздействием силикатной пыли у соспы увеличивается доля отмерших и недоразвитых спящих почек, брахипласты формируются без спящих почек. В зоне интенсивного загрязнения доля отмерших спящих почек резко увеличивается (до 80%), по мере удаления от источника выброса увеличивается до 90% доля живых спящих почек (Михеев, 1996).

Так же под влиянием фторсодержащих аэрополлютантов происходят в разной степени выраженные изменения и нарушения репродуктивных процессов сосны обыкновенной в зависимости от расстояния и направления до источника выбросов (Бабушкина, 1996; Аникеев, 1997, 2000). В зависимости от степени загрязнения изменяются абсолютные показатели признаков-женской репродуктивной системы сосны. Так, при удалении от источника выбросов закономерно увеличивается семенная продуктивность. Наилучшими посевными качествами семян характеризуются насаждения, произрастающие в фоновых условиях, по сравнению с зоной загрязнения (Аникеев, Бабушкина, 1997, 2000).

Установлено (Карасева, 1998; Бесоснова, Юсыпива, 1998), что у древесных растений, произрастающих в зоне постоянного воздействия на них ингредиентов промышленных выбросов, угнетается процесс плодои семя-образования, снижаются масса 1000 семян, их доброкачественность и жизнеспособность. Вблизи источников загрязнения пустосемянность достигает у лиственницы сибирской — 55%, у сосны обыкновенной — 87%, пихты сибирской — 100% (Третьякова, Бажина, Носкова, 2001).Урожай шишек и семян (на 1 га) на расстоянии 0,5 км от источника выбросов составляет до 3% контроля, на расстоянии 3, 5, 7 км эти показатели возрастают в 5.7 раз (Бара-бин, Елисеев, 1999).

Исследования показывают, что в условиях промышленных загрязнений у ели имеет место четко выраженная периодичность в шишконошении, а сосна плодоносит ежегодно (Моложавский, 2001). Загрязнение воздуха является фактором, определяющим интенсивность семеношения сосны, проявляется в снижении урожайности как отдельных деревьев, так и в целом насаждения (Луганский, Калинин, 1990; Palowski, 2000).

Экологические условия среды и состояние репродуктивной сферы являются основными факторами успешного возобновления леса.

Условия обитания молодых древесных растений в зоне воздействий загрязнений являются несколько более благоприятными, по сравнению с деревьями основного полога, что связано с их защитой растениями вышерасположенных ярусов, экранирующих действие промышленных выбросов. В связи с этим, воздействие техногенного загрязнения на подрост в большей мере имеет опосредованный характер — через изменение ценотической среды. Установлено, что в лесных сообществах ближней зоны, более подверженных воздействию, наблюдается ослабление ростовых процессов подроста хвойных растений, увеличивается доля мелколиственных пород. Улучшение световой обстановки вследствие разреживания крон и выпадения части, деревьев в сообществах, развивающихся в условиях техногенного загрязнения, приводит к разрастанию подлесочного яруса (Шелухо, 2001; Груммо, Зеленкевич, 2006).

Высота и возраст доминирующих видов растений в подросте сосняков одного класса возраста увеличиваются при снижении воздействия загрязнений. Наибольшая густота подроста хвойных и твердолиственных пород и его видовое разнообразие отмечаются в зоне сильного воздействия, что подтверждает усиление разнокачественности среды при воздействии внешних стрессоров (Шелухо, 2005).

Учитывая, что влияние промышленных выбросов имеет очень неблагоприятные последствия для лесонасаждений, необходимо обнаруживать негативное воздействие на самых ранних этапах этого процесса. В настоящее.

23 время широко, как инструмент, используются методы биоиндикации. Наиболее эффективны чувствительные биоиндикаторы состояния среды, каковыми являются виды эпифитной лихеносинузии (Трасс, 1971; Бязров, 1988; Мартин, 1984; Шелухо, 2001 и др.).

Лишайники — наиболее чувствительные биоиндикаторы загрязнения среды. В условиях стабильного загрязнения они способны реагировать даже на относительно низкие концентрации аэрополлютантов (Баканов, 1998). На фоне снижения устойчивости насаждений под влиянием промышленных выбросов происходит уменьшение площади проективного покрытия и видового разнообразия эпифитных лишайников.

Высокая чувствительность лишайников к поллютантам, отмеченная еще в прошлом веке (Nylander, 1985), определяется большой продолжительностью жизни отдельного слоевища, низкой интенсивностью газообмена, и, как следствие, малой способностью к авторегуляции и сильной зависимостью от физико-химических свойств среды (Мартин, 1987; Трасс, 1984). К настоящему времени накоплено достаточно данных о концентрациях в атмосфере наиболее распространенных токсикантов, вызывающих различные нарушения жизнедеятельности лишайников.

Разработана шкала зависимости индекса чистоты воздуха, состояния лихенофлоры и хвойных насаждений от уровня S02 (Николаевский, Николаевская, 1995; Баканов, 1997). Распространение отдельных индикаторных видов и их комбинаций коррелирует с концентраций загрязнений в воздухе. Чувствительные лишайники выживают при среднегодовой концентрации SOj менее 0,005 мг/м3 (Мартин, 1984; Волкова, 1991). При загрязнении более 0,05 мг/м исчезают кустистые лишайники (Usnca, Alekto.

3 3 ria), затем листоватые (0,05.0,2 мг/м) и накипные (0,2.0,3 мг/м) (Manning, Feder, 1985). Отмечена высокая связь между содержанием серы в талломе и в воздухе с удалением от источника выбросов.

Более низкому накоплению серы лишайником способствует отсутствие повышенной кислотности и незначительное загрязнение воздуха соединениями металлов (Лобанова, Тарханов, 1998).

Способность лишайников быстро впитывать в начале дождя первые, самые концентрированные осадки, полезная в условиях дефицита питательных веществ, становится губительной в условиях загрязнения. По мере приближения к источнику загрязнений наблюдается выпадение наиболее распространенных в фоновых районах типов лишайникового покрова (Горшков, 1990).

Для индикации различных загрязнений используются различные виды лишайников. Так, Т. Н. Отнюкова (1997), при исследовании состояния природной среды в районе Норильского горно-металлургического комбината, использовала ягельный лишайник Cladina stellar. При исследовании влияния угольного разреза «Осиновский» на реликтовую липовую рощу использовались Usnea dasypoga, U. fragilescene, Ramalina asahinana, виды рода Arthonia, Chrysotrix и другие виды (Баумгертнер, 1995). Но чаще рекомендуются для биоиндикации виды: Hypogymnia physodes, Pseudevernia furfuracea, Evernia mesomorpha, Usnea hirta, Parmelia sulkata, предлагаются шкалы и технологии оценки состояния насаждений по распределению эпи-фитной растительности (Мартынюк, Жидков, Воронин, 1993. 1995; Баканов, 1996, Жидков, 1997 и др.).

Индексы состояния древостоя и лишайников прямо коррелирует с коэффициентами концентрации поллютантов и ростовыми процессами (Жидков, 1996).

Большинство лихеноиндикационных работ выполнено на территории городов и промышленных агломераций (Бязров, 1994), значительно меньшев естественных местообитаниях (Bade, Mayrhoter, 1996). И если первые включают достаточно много точек, что дает возможность подробно картировать территорию, то для вторых, как отмечают И. Н. Михайлова, Е. Л. Воробейчик (1995), характерен общий недостаток — малая дробность представления градиента загрязнения.

На исчезновение лишайников в черте городов обращали внимание На-selhoff и Linda. it (1903), A. Schonbeck (1969) с помощью листоватого лишайника Parmelia physodes разработал метод экспозиции лишайников (Десслер, 1981).

В условиях воздушного загрязнения происходит деградация эпифит-ного лишайникового покрова, которая проявляется в изменении видового состава, уменьшении показателей флористического разнообразия и видовой насыщенности, сокращении проективного покрытия и снижении жизненности лишайников (Бобкова, Паутов, Терещук, 1997; Торлопова и др., 2000 и.

ДР-).

Лихеноиндикационные методы не могут заменить инструментальных, но ряд лишайников имеет значения индексов токсиколерантности, по которым можно судить о начале деградации, неблагополучии лесных экосостем (Трасс, 1971, 1985; Мартин, 1984; Бязров, 1994 и др.). Наиболее характерным структурным изменением сосновых лесов с начальным повреждением В. Т. Ярмишко (1992) считает угнетение и уменьшение обилия чувствительных к загрязнению видов лишайников.

До сих пор нет единого мнения отражают ли данные по распространению лишайников средние или пиковые концентрации загрязнений в атмосфере (Андерсон, 1988). Дополнительную сложность в тестировании техногенных патологических явлений создают, во-первых, различие экологических условий произрастания растенийво-вторых, изменчивость симптомов поражения в зависимости от видовых, возрастных отличий пораженных растений и активности патогенного агентав третьих, неопределенность связи доза — эффект (Слепян, 1978).

Результаты лихеиоиндикации более достоверны во влажные вегетационные периоды. Лишайники сохраняют индикационные свойства и в зимний период, четкая зависимость состояния лихенофлоры от промышленных выбросов обнаруживается и в засушливые годы (Жидков, 1996).

Несмотря на некоторые сложности применения метода, лихеноиндика-ция получила широкое распространение и применение в регионах нашей страны (Жидков, 1995; Закутнова, 1996; Аржанова, Скирина, 1997; Грибалев, 1998 и др.).

Лихеноиндикация отличается высокой чувствительностью к различным уровням загрязнения атмосферы, позволяя достаточно точно определять границы распространения промышленных поллютантов. Применение данного метода, в комплексе с параметрами состояния других компонентов биогеоценоза позволяет дать комплексную оценку состояния окружающей среды в близи источников техногенных выбросов.

На основе научной литературных данных по воздействию промзагряз-нений на экосистемы, можно сделать вывод, что техногенные эмиссии яв-лются важным стрессором для лесных систем. Принципиальных различий между путями воздействия кислых и щелочных компонентов аэрополлютан-тов не наблюдается.

Воздействие загрязнений на фитоценоз идет непосредственно через влияние на ассимиляционные органы, устьичный аппарат и кутикулу и опосредованно, через изменение среды и химического состава почвенных растворов. Воздействие проявляется в изменении внутрисистемных процессов и в структурно-функциональном состоянии компонентов экосистем, в упрощении их структуры.

К настоящему времени довольно полно изучено влияние промвыбро-сов различной химической природы на ряд компонентов лесных биогецено-зов, в частности на древесную растительность, живой напочвенный покров, сукцессионные процессы. Имеются отдельные наработки по влиянию выбросов на репродуктивную сферу древесных пород.

Вместе с тем, недостаточно изучены вопросы влияния выбросов различной химической природы на хвойные биогеоценозы зоны широколист.

27 венных лесов, на их репродукцию, не изучено влияние промвыбросов на возобновление древесных пород, закономерности изменения санитарно-патологического состояния еловых насаждений в связи с интенсивностью и видами промышленных загрязнений, изменения видового состава лишайников, не установлена индикаторная значимость доминирующих видов.

Отсутствие информативных характеристик воздействия промвыбросов различной химической природы на лесонасаждения снижает эффективность прогнозирования состояния лесов, организации лесовыращивания и ведения лесного хозяйства.

8.1 Общие выводы.

На основании анализа экологических условий района проведения исследований, литературных источников, результатов проведенных исследований нами сформулированы общие выводы по теме работы:

1. Климатические условия района исследования способствуют быстрой трансформации, осаждению и вымыванию загрязнений из атмосферы на прилегающие насаждения и обеспечивают увеличение концентрации загрязнений в приземном слое. В районе исследования преобладают хвойные насаждения кисличных типов леса, произрастающие в условиях С2.3, формирующие насаждения 1. Г бонитета. Древостой имеют высокую потенциальную устойчивость, что позволяет им существовать в условиях хронического воздействияаэрополлютантов, снижая продуктивность, репродуктивные способности и изменяя структуру.

2. Основными загрязнителями района, исследований являются ОАО «Мальцовский портландцемент» (Карачижское участковое лесничество), поставляющий в атмосферу 66 видов загрязняющих веществ, включая твердые пылевые частицы, оксиды серы и азотаи ОАО «Дятьковский хрусталь» (Дятьковское лесничество), выбрасывающий 23 вида загрязняющих веществ, из которых около 2% составляют фториды.

3. Формы, пути и механизмы воздействия щелочных и фтористых выбросов загрязнений на насаждения во многом схожи. Они оказывают разной степени негативное воздействие на состояние насаждений и их компоненты.

• 4. На основе анализа литературных источников и проведенных работ уточнены методы и критерии зонирования при хроническом щелочном воздействии, а также предложены и разработаны принципы зонирования лесов при хроническом воздействии фторсодержащих выбросов.

5. По мере усиления воздействия аэрополлютантов цементного производства и фторсодержащих выбросов ухудшается состояние древостоев, возрастает текущий отпад, уменьшается количество деревьев без признаков ослабления и растёт доля ослабленных в разной степени деревьев. Внешне заметное изменение состояния древостоев наблюдается в хвойных насаждениях с 40.50 лет, проявляясь сильнее в приспевающих и спелых древостоях. Степень ослабления зависит от степени воздействия поллютантов различной химической природы. В зоне сильного и умеренного воздействия щелочных выбросов доля ослабленных деревьев сосны связана с полнотой насаждения, возрастом, составом насаждения и расстоянием до источника выбросов. Ослабление же фтористыми выбросами в зоне сильного воздействия не связано с особенностями таксационных характеристик насаждений. При умеренном воздействии кислых аэрополлютантов отмечена связь средней тесноты с полнотой и составом насаждений.

6. Выбросы как щелочной так и кислой природы приводят к угнетению лишайниковых сообществ. С увеличением воздействия ухудшаются показатели поселения синузий (встречаемость, длина района поселения, проективное покрытие на высоте 1,3 м, формовое разнообразие и видовой состав). Воздействие фтористых выбросов на лихеносинузии, по сравнению с щелочными, является более агрессивным. В зоне сильного промвоздействия фтористые выбросы формируют «лишайниковую пустыню». Наиболее устойчивыми к промвыбросам различного состава и наиболее распространенными являются из накипных: лепрария серая (Lepraria incana Ach.), из листоватых — гипогимния вздутая (Hypogymnia physodes L.). Показатели их расселения, из-за повсеместности встречаемости, можно использовать как индикатор хронического промышленного воздействия и для уточнения зон с различным уровнем воздействия.

7. Под влиянием аэрополлютантов различной химической природы происходят в разной степени выраженные изменения и нарушения репродуктивных процессов сосны обыкновенной в зависимости от степени промвоз.

148 действия. По, мере увеличения влияния загрязнений происходит не существенное уменьшение линейных размеров шишек (длины и ширины), а также размера фертильного яруса. При увеличении воздействия выбросов различной химической природы отмечается значительное снижение сохранности семязачатков. Характер гибели семязачатков не меняется в зависимости от уровня загрязнения поллютантами. Гибель большинства семязачатков происходит во 2-й вегетационный период. В целом, отмечается большее снижение показателей сохранности при фтористом воздействии, чем при щелочномОтмечено, что большее влияние природа промвыбросов играет при высоких концентрациях (в зонах сильного и замеренного промвоздействия).

8. Загрязнение атмосферы аэрополлютантами на исследованных территориях оказывает отрицательное влияние на генеративные процессы в мужской репродуктивной сфере сосны обыкновенной. При увеличении воздействии различной химической природы происходит уменьшение количества проросшей пыльцы, увеличивается доля пыльцы с аномалиями пыльцевых трубок, доля непроросших зерен. При слабом воздействии аэрополлютантов и в фоновых зонах показатели жизнеспособности пыльцы существенно не различаются. Показатели жизнеспособности пыльцевых зерен при сильном и умеренном воздействии фтористых выбросов существенно ниже показателей пыльцы, произрастающей при щелочном воздействии, здесь отмечаются различные аномалии развития пыльцевых зерен, что свидетельствует о большей агрессивности данных аэрополлютантов. В целом более существенное влияние на жизнеспособность пыльцы оказывают промвыбросы в зонах сильного и умеренного воздействия. При щелочном воздействии увеличивается доля зерен с аномалиями пыльцевых трубок, а при действии фтористых аэрополлютантов увеличивается доля непроросших зерен (нормального размера и мелких).

9. Действие выбросов различной химической природа оказывает отрицательное влияние на процессы естественного возобновления как непосредственно — ухудшая репродуктивные способности древостоев, оказывая внеш.

149 нее воздействие на качество возобновления, так и косвенно — меняя освещенность подполгового яруса и способствуя более интенсивному разрастанию подлесочных пород. При этом действие фтористых выбросов оказывается более негативным. Б зонах сильного и умеренного воздействия кислых выбросов подрост главных лесообразующих пород отсутствует. В условиях же воздействия щелочных выбросов отмечается везде, причем общее его количество увеличивается по мере возрастания техногенной нагрузки, но меняется породный состав.

8.2 Рекомендации по режиму ведения лесного хозяйства.

Целью предлагаемых рекомендаций является сохранение и усиление природных свойств леса, произрастающего в условиях техногенеза, сохранение биологического разнообразия, улучшение качества леса, повышения продуктивности на основе многоцелевого неистощительного природопользования.

Сокращение объёмов промвыбросов в промышленных районах является первоочередной задачей государственного масштаба. При нынешнем уровне развития науки и технологий производства полного прекращения выбросов в атмосферу добиться невозможно. Очистка выбросов в атмосферу от загрязняющих веществ современными технологиями — мера дорогая, энергоемкая и во многих случаях малоперспективная. Наряду с этим основное внимание в промышленном производстве необходимо уделить разработке новых малоотходных и безотходных технологий.

Устойчивое управление состоянием насаждений в условиях техногенеза должно базироваться на комплексе последовательных действий.

Для своевременного обнаружения изменений в состоянии лесов на территориях, подверженных промышленному загрязнению, необходимо осуществление лесопатологического мониторинга (ЛПМ) (Руководство по проектированию ., 2007). При осуществлении ЛПМ обеспечивается: установление причин и уровня повреждения, ослабления и гибели лесовпрогноз развития в лесах патологических явлений и процессовсбор информации о состоянии лесов, ее хранение, обработка и своевременное доведение её до участников лесных отношений. Центральное место в ЛПМ занимают мероприятия по организации информационных систем, описывающих динамику состояния лесов, разработке режимов ведения хозяйства и механизмов преодоления деградации в лесонасаждениях промышленных районов.

Для организации эффективного ЛПМ в загрязняемых промвыбросами лесах необходимо зонирование территории с выделение зон с различной степенью промвоздействия. Для этого рекомендуется использовать классификации хвойных насаждений, разработанные и апробированные в ходе проведенных исследований (таблица 8.1).

При зонировании необходимо учитывать, что оценка санитарного состояния древостоев напрямую зависит от периодичности и качества проведения санитарно-оздоровительных мероприятий (СОМ). Поэтому в условиях интенсивного ведения хозяйства при проведении работ по зонированию важную роль играют методы биоиндикации. Нами в качестве основных индикаторов использовались СКС насаждений, текущий отпад, а дополнительногооценка состояния эпифитных лишайников. При проведении работ по лихено-индикации в условиях действия промвыбросов различной химической природы предлагаем разработанные нами шкалы показателей поселения эпифитных лишайников (таблица 8.2).

Наиболее устойчивыми к промвыбросам различного состава и наиболее распространенными являются из накипных: лепрария серая (Lepraria incana Ach.), из листоватых — гипогимния вздутая (Hypogymnia physodes L.). Показатели их расселения, из-за повсеместного распространения, можно использовать как индикатор степени хронического промышленного воздействия.

Заключение

.

Лесные БГЦ проявляют высокую чувствительность даже к незначительным изменениям экологической среды. Антропогенное воздействие, наряду с климатом, является наиболее мощным фактором, оказывающим прямое и косвенное влияние на состояние всех компонентов лесных экосистем, приводя к ослаблению, а иногда и распаду древостоев на больших площадях.

В лесных БГЦ, подверженных хроническому воздействию промвыбро-сов различной химической природы происходят значительные изменения всех элементов. Компоненты БГЦ испытывают хронический стресс, что выражается в изменении физиологических функций организмов, увеличении вариации морфологических параметров, снижении устойчивости лесонасаждений, их биологических, рекреационных, средообразующих функций, биоразнообразия. Аэрополлютанты как кислой, так и щелочной природы негативно влияют на компоненты лесных БГЦ: древостой, лихеносинузии, репродуктивную сферу, процесс возобновления эдификаторов.

В результате проведенных исследований нами изучены изменения компонентов хвойных БГЦ, произрастающих в условиях хронического воздействия промвыбросов щелочной и кислой природы. Определены биоиндикаторы, обосновано применение наиболее информативных параметров для определения степени воздействия на БГЦ и зонирования территории. Дана комплексная биоиндикационная оценка реакции БГЦ на воздействие аэро-поллютантов. Изучено воздействие промышленных загрязнений на репродуктивную сферу, состояние подроста и подлеска, определены направления сохранения и возобновления сосновых лесов в зонах с различным уровнем влияния выбросов.

Комплексный анализ влияния загрязнений на элементы БГЦ позволил определить критерии, биоиндикаторы для зонирования территорий по силе влияния, обосновать подходы к организации и ведению мониторинга, рекомендовать режим ведения лесного хозяйства дифференцировано с учетом интенсивности хронического воздействия промышленных аэрополлютантов.