Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение
Выбросы промьшшенных предприятий являются одной из основных причин нарушения устойчивого функционирования экосистем, в том числе лесных, вызывая их частичную или полную деградацию. Основным объектом для оценки состояния лесов в Байкальском регионе служит сосна обыкновенная (Рinussilvestris). Это обусловлено ее широким ареалом, а также важной экологической ролью и хозяйственным значением. Одним из наиболее часто используемых параметров для оценки влияния промышленного загрязнения, диагностики состояния лесных экосистем и характеристики питательного режима древесных растений является химический состав ассимиляционных органов, которые выполняют роль регуляторного звена в функционировании растительного организма и весьма чувствительны к изменению условий произрастания [14].
В Забайкалье сосна обыкновенная является одной из доминирующих лесообразующих пород. Однако работы, касающиеся изучения ее биологических и экологических особенностей в этом районе, немногочисленны, а исследование сосновых насаждений, подвергающихся воздействию аэропромвыбросов, до настоящего времени здесь вообще не проводилось. В то же время на этой обширной водосборной территории расположено несколько промышленных узлов разной мощности, негативно влияющих на наземные экосистемы. Одним из наиболее крупных промьшшенных узлов является Улан-Удэнский, в атмосферу которого ежегодно выбрасывается свыше 50 тыс. т загрязняющих веществ разного химического состава [5]. Загрязнение атмосферного воздуха приводит к серьезным экологическим последствиям, в частности, в г. Улан-Удэ на­блюдается ослабление древесных насаждений с участием хвойных пород. Преобладающий западный и северно-западный перенос воздушных масс прежде всего обусловливает распространение техногенных выбросов от промзоны по долине р. Уды - одного из крупных притоков р. Селенги. Исходя из этого, целью исследования было на основе изучения изменения элементного состава хвои и ряда морфометрических параметров деревьев оценить состояние сосновых древостоев долины р. Уды, произрастающих на разном удалении от г. Улан-Удэ.
Район, объект и методы исследований
Обследования  древостоев сосны обыкновенной, расположенных на разном удалении от г. Улан-Удэ, одного из крупных индустриальных центров Восточной Сибири, выполнялись в 2001-2004 гг. Неблагоприятная экологическая ситуация в городе обусловлена, с одной стороны, высоким уровнем техногенной нагрузки, а с другой - низкой рассеивающей способностью атмосферы, приводящей к длительным застоям загрязненного воздуха Расположение города в пределах полузамкнутой впадины и ограничение ее с севера и юга средневысотными хребтами способствует скоплению промвыбросов в нижних слоях атмосферы.
Район исследований характеризуется малым количеством осадков (200-300мм). Среднегодовая температура воздуха -1,7 °С, продолжительность вегетационного периода в среднем 130 дней. Почвы преимущественно дерново-лесные слабо кислые (рН = 5,3-6,0), сумма обменных катионов (Са 2+ + Mg 2+) варьирует от 13 до 22 мг-экв/100 г (преобладает кальций), содержание азота от 0,11 до 0,19 % от сухой массы, гумуса 1,8 - 3,2 %. Содержание подвижных форм калия составляет 4-9 мг/100 г, что считается средним уровнем обеспечения, фосфора - 18-30 мг/100 г, что соответствует высокой степени обеспеченности почв этим элементом. В целом же природные особенности и климатические условия этой части Западного Забайкалья характеризуются как жесткие для произрастания сосняков.
Основным типом лесной растительности в районе исследования являются сосняки остепненные, отличающиеся сильной разреженностью древостоя (полнота 0,4-0,6) и невысокой средней продуктивностью - III - IV класса бонитета. Объектом исследования служили приспевающие и спелые сосновые древостой. Обследование лесов осуществлялось с использованием инструкций и методик, утвержденных органами лесного хозяйства [6,7]. Полевые работы в лесах проводились маршрутно-ключевым методом с закладкой пробных площадей (ПП). Для выявления особенностей распространения промвыбросов ПП были заложены непосредственно в промзоне г.Улан-Удэ и по трансекте в северо-восточном направлении на расстоянии 15, 40, 60 км то есть в сторону преобладающего переноса атмосферных выбросов. В качестве фоновой использовали пробную площадь, расположенную на расстоянии 180 км от города.
На каждой ПП для определения элементного химического состава отбирали образцы хвои второго года жизни с деревьев П класса возраста из средней части кроны во второй половине вегетационного периода (начало  августа).   Эти же  деревья  служили модельными для исследования морфоструктурных параметров, характеризующих состояние их крон и побегов: продолжительность жизни хвои, длина побега, длина хвои, масса хвои побега, масса 50 хвоинок, число хвоинок на побеге. Дефолиация крон оценивалась у деревьев доминирующего яруса. Хвою анализировали на содержание следующих элементов: азота, фосфора, калия, кальция, магния, натрия, серы, кремния, фтора, марганца, железа, меди, цинка, свинца, кадмия, ртути. Элементный состав определяли методами пламенной фотометрии, фотоколориметрии и атомно-абсорбционной спектрометрии [8]. Коэффициент концентрации химических элементов под влиянием техногенных выбросов относительно фона рассчитан по Саету [9]. Статистическая обработка данных проводилась стандартными методами [10] с использованием пакета программ MS Office (Excel).
Результаты и обсуждение
У обследованных сосновых древостоев в условиях промышленного, загрязнения существенно изменяется химический состав хвои (таблица 1). Прежде всего, это происходит за счет увеличения элементов, которые присутствуют в составе эмиссий. В хвое древостоев, произрастающих в пределах промзоны г. Улан-Удэ, обнаруживаются самые высокие на данной территории уровни таких элементов, как сера, фтор, свинец, кадмий, ртуть, железо, цинк, кремний. Содержание этих элементов выше фоновых концентраций в несколько раз. По мере удаления от промзоны их уровень в хвое сосны снижается, но остается повышенным по сравнению с фоновыми значениями. Так, на расстоянии 15 км (с.Эрхирик) их содержание в среднем составляет 65 % от выявленных максимальных концентраций, в 40 км (п.Онохой) - 45 %, в 60 км (с. Курба) - 30 %. Концентрации загрязняющих элементов, соответствующие фоновым, обнаруживаются на значительном (свыше 60 км) удалении от Улан-Удэнского промузла.
Кроме того, в хвое сосны на обследованной территории Западного Забайкалья также изменяется уровень элементов, которые принято относить к биофильным - азота, фосфора, калия, кальция, магния, натрия (таблица 1). У древостоев, произрастающих в пределах промзоны г. Улан-Удэ и на расстоянии 15 км от него (с.Эрхирик), в хвое сосны на 40^5 % по сравнению с фоновыми уровнями увеличена концентрация кальция, на 15-20 % - содержание азота, магния и натрия. На расстоянии 40 км от промузла концентрации этих элементов соответствуют фоновым уровням. Повышен количества кальция, магния, натрия, с одной сто­роны, обусловлено присутствием их в составе промышленных выбросов, а с другой -усилением процессов, связанньк с детоксикацией поступающих элементов-поллютантов.
Увеличение концентрации азота в хвое деревьев вблизи промузла, по-видимому, связано с токсическим воздействием эмиссий и проявляется при действии многих других негативных экологических факторов-пожаров, заморозков, нападении насекомых и повреждении микромицетами. Предполагается, что увеличение азота связано с его оттоком из опадающей хвои в оставшуюся живую хвою [11-13]. Причем оно во многом обусловлено возрастанием небелковой фракции [11, 14] в основном за счет процессов гидролитического расщепления белков. У обследованных деревьев на всех пробных площадях количество белкового азота в хвое существенно не отличается от фонового уровня, тогда как содержание небелковой фракции заметно возрастает. Так, у древостоев, произрастающих в пределах промзоны, а также на расстоянии 15 км от нее, оно увеличено в 2,2 и 1,8 раза, у древостоев, удаленных на 40 км - на 30 %. Уровень небелкового азота, равный фоновому, обнаруживается лишь у древостоев, значительно удаленных от Улан-Удэнского промузла (60 км и более).

В соотношении N:P:K. у древостоев, подверженных воздействию выбросов, изменения обусловлены, главным образом, увеличением количественной доли азота, а также снижением доли калия. Среди микроэлементов наиболее явные нарушения баланса проявляются в соотношении между марганцем и железом, что, вероятно, обусловлено антагонизмом между ними [15].
При этом изменение соотношения Mn:Fe обнаруживается не только у древостоев, произрастающих вблизи промузла, но и удаленных от него на 40 км.
Для оценки техногенного воздействия одной из основных характеристик является его интенсивность, которая определяется степенью накопления элементов- загрязнителей в исследуемом объекте по       сравнению с природным фоновым уровнем. Показателем аномальности содержания элементов       является коэффициент
концентрации (Кс), который рассчитывается как отношение содержания элемента в исследуемом объекте (С) при техногенной нагрузке к среднефоновому его содержанию (Сф): Кс = С / Сф [9]. К аномальным кон­центрациям относятся те, Кс которых равен или выше 1,5. Так, в пределах промзоны г. Улан-Удэ в хвое древостоев отмечается увеличение коэффициента концентрации элементов,    входящих   в    состав   эмиссий. Наибольшие значения Кс выявлены для таких элементов, как сера, свинец, фтор, кремний, железо, цинк (таблица 3). Учитывая величину Кс (1,5-5,1), содержание перечисленных элементов в хвое на этой части обследованной территории следует считать аномальным, а уровень загрязнения древостоев - как сильный. Полученные нами данные согласуются с результатами ранее проведенных исследований по определению уровня загряз­нения окружающей среды в г. Улан-Удэ, где именно промышленная зона города определена как наиболее сильно загрязненная [16].
При удалении от промузла коэффициенты концентрации всех рассмотренных элементов снижаются. Аномально высокое содержание отдельных элементов в хвое сосны сохраняется на расстоянии 40 и 60 км от промузла, что свидетельствует о дальности распространения аэропромвыбросов по долине р.Уды. На основании данных об изменении в хвое сосны показателя Кс элементов, входящих в состав промышленных эмиссий, можно выделить 4 уровня (зоны) загрязнения обследованных сосновых древостоев:

1. сильный - на расстоянии до 15 км (Кс > 2,0);
2. средний - на расстоянии 15 - 40 км (Кс= 1,5-1,9);
   

1. слабый - на расстоянии 40 - 60 км (Кс = 1,3-1,4);
2. фоновый - на расстоянии более 60 км от Улан-Удэнского промузла, загрязнение отсутствует (Кс = 0,8- 1,1).

Таким образом, определение элементного химического состава хвои сосны показало, что в условиях промышленного загрязнения происходят существенные изменения как в количественном содержании элементов, так и в изменении их соотношений. Дисбаланс элементов проявляется в увеличении концентрации   элементов, входящих в состав промышленных эмиссий, и в уменьшении концентрации некоторых биофильных элементов. При этом дисбаланс элементов в хвое обнаруживается уже у древостоев зоны слабого загрязнения.
Помимо выявленных нарушений элементного химического состава хвои, у обследованных деревьев изменяется ряд морфоструктурных параметров:
продолжительность жизни хвои, длина и масса ассимиляционных органов    (таблица 4).
В конечном итоге это приводит к снижению продуктивности древостоев – Интегрального показателя жизнедеятельности растений. Так, наиболее значительные количественные изменения морфоструктурных параметров обнаруживаются у древостоев, произрастающих в пределах промзоны г. Улан-Удэ и на расстоянии 15 км от него (с.Эрхирик). У этих насаждений в 1,3-2,0 раза по сравнению с фоновыми параметрами снижена длина побега и хвои, масса хвои побега, число хвоинок на побеге, в 2 раза уменьшается продолжительность жизни хвои на побегах и, соответственно, в 2-2,5 раза возрастает уровень дефолиации крон.
Как следует из полученных результатов, самым худшим состоянием хвои, побегов и крон характеризуются древостой, произрастающие вблизи г. Улан-Удэ.

Таблица 4 - Морфометрические характеристики сосны обыкновенной на разном удалении от Улан-Удэнского промузла

Местоположение ПП, расстояние от Улан-Удэнского промузла, км	Длина побега, мм	Масса хвои побега, г	Число хвоинок на побеге, шт.	Длина хвоинки, мм	Масса 50 хвоинок, г	Продолжи­тельность жизни хвои, лет	Дефолиация крон, %
г.Улан-Удэ, промзона	112,8±3,2	2,44±0,25	93,3±5,6	42,6±2,5	0,74±0,04	2-3	65
с.Эрхирик, 15 км	111,7±4,8	2,61 ±0,23	107,2±5,8	40,7±3,5	0,79±0,09	3-4	45
п. Онохой, 40 км	122,6±5,2	2,64±0,25	119,1±6,2	53,6±3,5	0,82±0,08	4	30
с. Курба, 60 км	156,7±4,2	4,56±0,35	145,2±7,5	60,5±2,8	0,92±0,09	6	15-20
с. Ониноборск, 180 км (фон)	150,6±4,6	4,57±0,32	163,0±4,5	63,5±3,9	0,96±0,09	6	25-30

При удалении от промузла большинство морфометрических показателей деревьев сосны постепенно нормализуется, однако и на расстоянии 40 км от него (п. Онохой) они достоверно отличаются от фоновых значений: морфометрические характеристики понижены здесь в среднем на 20-30 %. Древостой, у которых морфометрические показатели близки к фоновым, обна­руживаются на расстоянии 60 км и более от Улан-Удэнского промузла (с. Курба, с. Ониноборск).
Для выявления связей между нарушением химического состава хвои сосны и изменениями морфометрических параметров древостоев был проведен корреляционный анализ. Наиболее высокие коэффициенты корреляции отмечены для древостоев зоны сильного загрязнения (до 15 км от промузла).Так, содержание серы, фтора, кремния и тяжелых металлов (свинца, железа, ртути) в хвое этих древостоев положительно коррелирует с уровнем дефолиации крон (г = 0,84-0,96) и отрицательно - с продолжительностью жизни хвои (г = -0,82-0,92), длиной и массой хвои побегов (г = -0,58-0,63), числом хвоинок и их длиной (г = -0,75-0,93). У древостоев, подвергающихся меньшему воздействию промвыбросов (зона среднего и слабого загрязнения, соответственно, 15-40 и 40-60 км от промузла), теснота корреляционных связей между рассматриваемыми параметрами снижается, а в фоновьгх условиях (60 -180 км) коэффициенты корреляции недостоверны.
Таким образом, полученные результаты, свидетельствующие о наличии тесной связи между изменениями элементного состава хвои

и изменениями ряда морфометрических параметров          обследованных        сосновых древостоев долины р. Уды, позволяют сделать вывод о том, что на данной территории исследуемый негативный экологический фактор – атмосферное промышленное загрязнение, выступает в роли одного из главных, определяющих их состояние. Кроме того, на основании данных о характере изменений комплекса исследованных параметров представляется возможным оценить физиологическое состояние древостоев. Древостой, произрастающие в пределах Улан-Удэнского промузла и на расстоянии до 15 км, следует отнести к сильно угнетенным, удаленные на расстояние 15-40 км - к среднеугнетенным, 40-60 км - к слабо угнетенным. Состояние древостоев, соответствующее фоновому, обнаруживается на значительном удалении от г.Улан-Удэ - свыше 60 км.
Заключение
В хвое обследованных сосновых древостоев, произрастающих в Западном Забайкалье по долине р. Уды, обнаружен дисбаланс элементного состава, который наиболее сильно проявляется в пределах промзоны г. Улан-Удэ. Нарушение химического состава выражается как в количественном изменении природного содержания элементов, так и в изменении их соотношений, что, в свою очередь, отражается на изменении морфометрических параметров древостоев, большинство из которых значительно снижается. Определены коэффициенты концентрации исследованных элементов в хвое и на этой основе выделены зоны разной степени  загрязнения сосновых древостоев – сильной (до 15 км от промузла), средней (15-40 км) и слабой степени (40-60 км), а также фоновые насаждения. Полученные результаты свидетельствуют, что по долине р. Уды распространение аэропромвыбросов и ослабление древостоев обнаруживается на расстоянии до 60 км от промышленной зоны г. Улан-Удэ. Выявленное широкое распространение насаждений, ослабленных воздействием промышленных эмиссий, свидетельствует о снижении их экологических функций, как стабилизирующего компонента всей экосистемы оз. Байкал. Негативное воздействие промышленных эмиссий на сосновые леса долины р. Уды свидетельствует о необходимости постоянных мониторинговых обследований насаждений. Эта информация представляет интерес и для разработки норм допустимых нагрузок на экосистемы.
Библиографический список

1. Плешанов А. С, Михайлова Т. А. Формализованный метод картографирования загрязнения растительности аэропромвыбросами // Экологические проблемы урбанизированных территорий. -Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН, 1998.-С. 100-105.
2. Mikhail ova T. and Berezhnaya N.. Effects from Industrial Emissions on the Lake Baikal Region Forests. // Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality. Kluwer Academic Publishers. NATO Science Series, IV. Earth and Environmental Sciences -2002.-Vol. 16.-P. 311-315.
3. Михайлова Т.А. Влияние промышленных выбросов на леса Байкальской природной территории //География и природные ресурсы. - 2003. -№ 1.-С. 51-59.
4. Михайлова Т. А., Бережная Н. С, Игнатьева О. В., Афанасьева Л. В. Изменение баланса элементов в хвое сосны обыкновенной при техногенном загрязнении // Сибирский экологический журнал. - № 6, - 2003.-С. 755-762.
   
5. Состояние и охрана окружающей среды в Республике Бурятия в 2002 г., Улан-Удэ, 2003.-310с.
   
6. Инструкция по экспедиционному лесопатологическому обследованию лесов СССР. - М.: Гослесхоз СССР, 1983.-234 с.
   
7. Методика организации и проведения работ по мониторингу лесов СССР. - М.: Пущине, ВНИИЛМ, 1987. -45с.
   
8. Методы                       биохимического исследования растений / Под ред. А. И. Ермакова. - Л.: Агропромиздат, Ленингр. отд- ние, 1987.-43 0с.
9. Геохимия окружающей среды /Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. и др. - М.: Недра,
   1990.-334 с.
10. Плохинский Н. А. Биометрия. - М/. Изд-во МГУ, 1970.-368 с.
11. Лесные ландшафты Беларуси. - Минск: Наука и техника, 1992. - 295 с.
12. Лукина Н.В., Никонов В.В. Питательный режим лесов северной тайги. -Апатиты, 1998. - 316 с.
13. Сухарева Т.А., Лукина Н.В., Химический состав и морфометрические характеристики хвои ели сибирской на Кольском полуострове в процессе деградационной сукцессии лесов // Лесоведение. - 2004. - №2. -36-43 сю
14. Михайлова Т.А. Эколого-физиологическое состояние лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями: Автореферат дис. ... док-pa биол.наук.- Иркутск, 1997. -48 с.
15. Кабата-Пендиас Микроэлементы в почвах Мир, 1989.- 439с. А., Пендиас Х., и растениях. -      М.: 16. Белоголовое В.Ф. Геохимический атлас г.Улан-Удэ. - Улан-Удэ, 1989. - 51 с