Лесные экосистемы зон сильного аэротехногенного загрязнения

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

При увеличении степени рекреационного воздействия среднее количество видов и надземная фитомасса ЖНП уменьшается (табл. 2). Так, в условиях насаждений сосняка ягодникового при низком, среднем и сильном рекреационном воздействии надземная фитомасса ЖНП варьирует от 23,88; 11,94 и 10,36 кг/га соответственно. В насаждениях сосняка разнотравного надземная фитомасса ЖНП при низком, среднем и сильном рекреационном воздействии составляет 30,28; 16,21 и 16,25 кг/га соответственно.

В насаждениях сосняка ягодникового наблюдается уменьшение среднего количество видов ЖНП с увеличением степени рекреационного воздействия. Так, уменьшается доля луговых и лесолуговых видов. Среднее количество лесных и луговых синантропов не изменяется.

В насаждениях сосняка разнотравного среднее количество лесных видов варьирует от 11 до 16, количество луговых и лесолуговых не изменяется, а доля луговых синантропов увеличивается от 2 до 6. Так, наблюдается прямая зависимость между средним количеством видов и надземной фитомассы ЖНП от степени рекреационного воздействия: при увеличении среднегодовой единовременной рекреационной нагрузки надземная фитомасса и количество видов ЖНП сокращается.

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. В условиях сосняков разнотравных надземная фитомасса живого напочвенного

покрова значительно больше по сравнению с таковой в условиях сосняка ягодникового.

2. Живой напочвенный покров в условиях Шарташского лесопарка и лесопарка им. Лесоводов России неоднороден. Он складывается из лесных и луговых видов, включая синантропные виды, среди которых встречаются и лесолуговые.

3. Рекреационные нагрузки не меняют общего фона ЖНП. В условиях ягодникового и разнотравного сосняков доминируют виды, характерные для условий данных типов леса.

4. Появление лесных и лесолуговых синантропов свидетельствует о превышении допустимой среднегодовой единовременной рекреационной нагрузки и деградации ЖНП на исследуемом участке.

5. Насаждения сосняка разнотравного более устойчивы к рекреационным нагрузкам по сравнению с насаждениями сосняка ягодникового.

Библиографический список

1. Рысин, Л.П. Влияние рекреационного лесопользования на растительность / Л.П. Рысин, Г.А. Полякова // Природные аспекты рекреационного использования леса. - М.: Наука, 1987. - С. 4-26.

2. Колесников, Б.П. Лесорастительные условия и типы лесов Свердловской области / Б.П. Колесников, Р.С. Зубарева, Е.П. Смолоногов. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1973. - 174 с.

3. Временная методика определения рекреационных нагрузок на природные комплексы при организации туризма, экскурсий, массового повседневного отдыха и временные нормы этих нагрузок. - М.: 1987. - 33 с.

ЛЕСНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ЗОН СИЛЬНОГО АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Н.М. ШЕБАЛОВА, ст. науч. сотр. каф. лесоводства УГЛТУ, канд. техн. наук, С.В. ЗАЛЕСОВ, проф. каф лесоводства УГЛТУ, д-р с.-х. наук

Лесные экосистемы представляют собой совокупность атмосферы, растительности, почвы, гидротермических условий, животного мира и микроорганизмов. Имеют особую специфику взаимодействий слагающих его компонентов и определенный тип обмена веществ и энергии между собой. Для более точного прогноза повреждающего дейс-

твия токсикантов целесообразно использовать комплекс показателей, характеризующих как состояние среды, так и самих растений. К числу показателей состояния среды относятся содержание вредных веществ в воздухе, снеговом покрове, почве и ее физико-химические свойства, биологическая активность лесных почв. Показателями воздействия фи-

102

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

тотоксикантов на растения могут служить тесты на биохимические, морфофизиологические, репродуктивные и другие процессы, протекающие в них.

Нами оценивалось состояние лесных экосистем в зонах сильного действия промышленных выбросов Полевского криолитового завода (ПКЗ) и Первоуральско-Ревдинского промышленного узла (ПРПУ). Выбросы ПКЗ содержат значительное количество наиболее токсичных фтористых соединений. Фториды не участвуют в обмене веществ растений и с большим трудом подвергаются детоксикации. Токсичность фтора в десятки раз превосходит токсичность окислов азота и сернистого газа. Специфика токсического эффекта промышленных выбросов ПРПУ заключается в сочетании воздействия тяжелых металлов и сернистого ангидрида. При закладке постоянных пробных площадей (ППП) учитывались следующие требования: один тип леса (сосняк разнотравный), одинаковые рельеф экспозиции и почвенные условия. Все ППП заложены на расстоянии 30-40 м от квартальных дорог, просек, границ с безлесными территориями. Размер каждой площади обеспечивал достаточное количество деревьев для проведения исследований в течение 10 лет. Таксационное исследование ППП проводилось по общепринятым методикам [1, 2]. Микробиологические исследования проводили в свежеотобранных образцах лесной подстилки и гумусового почвенного горизонта, максимально заселенных микроорганизмами, по общепринятым методикам, в 10 повторностях каждого образца [3]. Количественное определение фтора осуществляли по методике А.А. Хоземовой потенцио-метрически, используя фторселективный электрод ЭF-IV Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечена проведением длительных многолетних исследований, анализом большого по объему фактического материала.

Древостой зоны сильного загрязнения ПКЗ (9,0С1,0Б) характеризуется III классом бонитета с относительной полнотой 0,6. В подлеске произрастают рябина, ракитник, жимолость. Количество угнетенных деревьев достигает 38 %. Данные деревья по сравнению с нормально вегетирующими имеют

меньший на 17,4 % средний диаметр ствола на высоте 1,3 м. У них на 16,3 % меньше средняя высота, на 9,5 % - протяженность кроны и на 13,8 % - ширина.

Лес зоны сильного загрязнения ПРПУ (10С) представлен сосной IV класса бонитета и относительной полнотой 0,5. Сосняки представляют собой неоднородные по полноте низкополнотные древостои с куртинным (биогрупповым) размещением деревьев. Наиболее крупные деревья расположены в центрах биогрупп. Практически отсутствует живой напочвенный покров. Характерной особенностью древостоев данной зоны является наличие большого количества необратимо угнетенных деревьев, количество которых достигает 89 %. Сосновые насаждения в данной зоне сформированы из деревьев тонких (подчиненных) ступеней толщины, и таксационные показатели данного древостоя существенно ниже, чем аналогичного в зоне сильного загрязнения ПКЗ. Различия по средней высоте достигают 21,5 %, по среднему диаметру на высоте 1,3 м - на 63,7 %.

Высота прикрепления первого живого сучка у нормально вегетирующих сосен, произрастающих в зоне сильного загрязнения ПКЗ, составляет 1,4 м, угнетенного роста - 1,1 м, а в зоне сильного загрязнения ПРПУ всего 0,4 м.

Содержание фтора в молодой, только что сформировавшейся хвое исследуемых категорий деревьев, растущих вблизи стационарного источника загрязнения ПКЗ, колеблется в пределах 55-59 мкг/г углерода (рис. 1). С увеличением возраста хвои уровень накопления токсиканта в ней резко возрастает и достигает 110-120 мкг/г углерода в хвое первого года жизни нормально вегетирующих сосен и 121-129 мкг/г углерода у угнетенных деревьев. Дальнейшее повышение продолжительности жизни ассимиляционных органов способствует процессу накопления фтора в них. Уже в хвое второго года жизни концентрация фтора возрастает до 153-157 мкг/г у нормально вегетирующих сосен и до 188-193 мкг/г у угнетенных деревьев. Уровень накопления фторидов в тканях хвои сосны, произрастающей в зоне сильного загрязнения ПРПУ, значительно ниже, чем в зоне действия ПКЗ.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008

103

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Время отбора образцов, месяц

IПКЗ, нормально вегетирующие деревья I 1ПК.З. угнетенные деревья -им ПРПУ, угнетенный древостой

Рис. 1. Содержание фтора в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в зонах сильного загрязнения ПКЗ и ПРПУ

cd

П

8ч g

% о

U Он

£ 5

g z

а й о ?

* а

а а о 2 Jl ч ^ и

§о а

И Л

8 ч

Я ГУ

и ° о

160-Г

140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 --

J J l 4 гг1 I Г1

У11 1Х Х1 111 У У11 1Х Х1 111 У

Время отбора хвои, месяц

0

ПКЗ, Фтор, нормально вегетирующие ПКЗ, Сульфат-ион, нормально вегетирующие 'ПРПУ, Сульфат-ион, угнетенные деревья

| I ПКЗ, Фтор ,угнетенные деревья  ПКЗ, Сульфат-ион, угнетенные дереввья -*- ПРПУ, фтор-ион, угнетенные деревья

Рис. 2. Содержание фтор- и сульфат-иона в водной вытяжке хвои сосны обыкновенной, произрастающей в зонах сильного загрязнения ПКЗ и ПРПУ

В молодой, только что сформировавшейся хвое сосны угнетенного роста концентрация фторидов в 4,5-5,0 раз меньше, чем в аналогичной хвое зоны ПКЗ. Со старением ассимиляционных органов степень накопления в них фтор-иона еще ниже. Содержание фторидов в тканях хвои первого года жизни сосны уменьшается в 6-6,3 раза, а в хвое второго года жизни - в 7,1-7,5 раз.

Процесс накопления фторидов хвоей первого года жизни наиболее активен с ноября по март, т.е. в период относительного покоя. Очевидно, увеличению степени накопления фтора в зимние месяцы способствует сохраняющийся, хотя и очень слабый газообмен на фоне прекращения ростовых процессов и относительной стабилизации содержания сухого вещества хвои. В весенние

104

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

и летние месяцы при активизации метаболизма, очевидно, происходит отток фтора из хвои с метаболитами в ткани ствола и корней. Концентрация наиболее токсичных водорастворимых фракций фторидов очень мала и не превышает 20-35 мг/кг (рис. 2). Уровень накопления сульфат-иона в хвойной вытяжке сосны зависит от возраста ассимиляционных органов сосны и места ее произрастания. Наиболее высокие концентрации сульфат-иона зафиксированы в хвойной вытяжке ассимиляционных органов более зрелого возраста (1,52 года) у древостоя, произрастающего в районе ПРПУ. Увеличение количества сульфата в хвойной вытяжке данной зоны, по сравнению с зоной сильного загрязнения ПКЗ в 6-12 раз, способствует сильному подкислению клеточного сока. РН клеточного сока хвои сосны в зависимости от возраста ассимиляционных органов, колеблется в пределах от 3,6 до 4,2.

Со степенью накопления и химической природой токсикантов тесно связан и ряд морфометрических показателей хвои. Охво-енность побегов сосны, произрастающей в зоне сильного загрязнения ПРПУ, составляет 6-9 шт./см, что в 1,5-2 раза ниже, чем у деревьев угнетенного роста зоны загрязнения ПКЗ (15-18 шт./см). Продолжительность жизни ассимиляционных органов во всех исследуемых древостоях зон техногенного загрязнения в основном сокращается до 2-3 лет, а в зоне сильного загрязнения ПРПУ - до 1,5-2 лет, тогда как по литературным данным ее продолжительность достигает 6-7 лет.

Ширина молодой хвои сосен угнетенного роста, произрастающих в зоне сильного загрязнения ПКЗ, составляет 0,83 мм. Наименьшая ширина хвои характерна для ассимиляционных органов сосны зоны сильного загрязнения ПРПУ. Ширина молодой хвои составляет здесь 0,72 мм, увеличиваясь с возрастом до 0,77 мм. Это на 30-32 % ниже, чем в зоне сильного загрязнения ПКЗ. Длина хвои в зоне сильного загрязнения ПРПУ в 1,5 раза меньше таковой в зоне сильного загрязнения ПКЗ.

Среди видимых проявлений влияния токсических соединений на сосну обыкновенную, особенно это касается фторидов, можно выделить поражение хвои. Известно,

что у наиболее чувствительной к фтору хвои сосны наблюдается повреждение игл, если они содержат 0,23-1,04 мг фтора. Эти поражения проявляются в разной степени выраженности периферического некроза (побурения) апикальной части. Степень поражения ассимиляционных органов сосны зависит как от уровня и химической природы токсиканта, так и физиологического состояния деревьев. В зоне сильного загрязнения ПКЗ молодая хвоя у нормально вегетирующих деревьев поражена на 2,7 %, с увеличением возраста хвои степень поражения возрастает до 7,9 %. У угнетенных сосен эти показатели несколько выше. Молодая хвоя поражена на 3,5 %, а более зрелая - на 14,2 %. В отличие от ПКЗ степень видимого поражения ассимиляционных органов сосны в зоне сильного загрязнения ПРПУ невелика и составляет для молодой хвои всего лишь 0,3 %, а для хвои второго года жизни - 1,4 %.

Основной технологический «удар» принимают на себя верхние, самые ценные, обогащенные органическим веществом горизонты лесной подстилки и верхние корнеобитаемые горизонты почв. Весной лесная подстилка аккумулирует загрязняющие вещества за счет таяния снегов, накапливающих промышленные токсиканты в зимний период. Летом - из атмосферы в виде газов и аэрозолей, а также с дождями, туманами. Осенью основной поток идет за счет опада травянистых растений, листвы деревьев и кустарников, хвои, содержащих загрязняющие вещества. Содержание фтора в верхних горизонтах лесной подстилки ПКЗ колеблется в пределах 900-1000 мкг/г абсолютно сухого вещества, затем увеличивается в ферментативном горизонте до 1800-2000 мкг/г и резко снижается до 200-250 в гумусовоаккумулятивном. Максимальный уровень аккумуляции фторидов верхним горизонтом лесной подстилки на всех исследуемых участках наблюдается весной. От весны к лету в нем происходит постепенное уменьшение степени накопления и увеличение фторидов в нижележащем горизонте, т.е. в ферментативном и верхнем почвенном. Причина такого явления, очевидно, в том, что с наступлением тепла и прогреванием почвы

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008

105

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

в лесной подстилке происходит интенсификация всех почвенных процессов, в том числе и трансформация отмерших остатков различной растительности, опада; освобождение накопившихся токсикантов и миграция их с водами в более глубокие горизонты. Осенью, с поступлением на лесные почвы

опада, содержащего фтор, вновь происходит постепенное возрастание его концентрации. В весенний период, после таяния снегов, присутствует довольно значительное количество сульфат-иона. Динамика накопления SO4 в горизонтах лесной подстилки и почвы аналогична (рис. 3).

I I Фтор-ион, верхний горизонт подстилки 1 1 Фтор-ион, ферментативный горизонт подстилки

Водорастворимый фтор-ион, верхний горизонт подстилки

- •+-  Водорастворимый, фтор-ион, ферментативный горизонт подстилки и Водорастворимый сульфат-ион, верхний горизонт подстилки

- Водорастворимый сульфат-ион, ферментативный горизонт подстилки

cd

П

О

Он

1)

ц

и

и

cd

И

О

к

й

е

Л

ц

О

И

(D

Я

и

о

Рис. 3. Содержание токсикантов в горизонтах лесной подстилки и верхнем почвенном горизонте зоны сильного загрязнения ПКЗ

ПКЗ, Бактерии ПКЗ, Бактерии ПКЗ, Бактерии ПКЗ, ПРПУ, Бактерии ПРПУ, Бактерии ПРПУ, Бактерии ПРПУ,

на среде МПА на среде КАА на среде Эшби Микромицеты на среде МПА на среде КАА на среде Эшби Микромицеты

Генетические горизонты

Рис. 4. Количество микроорганизмов в горизонтах лесной подстилки и верхнем почвенном горизонте почвы, расположенных в зоне сильного загрязнения ПКЗ и ПРПУ

106

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008