Надземная фитомасса опытных культур берёзы повислой в условиях загрязнения магнезитовой пылью

Надземная фитомасса опытных культур

^   V

березы повислои в условиях загрязнения магнезитовой пылью

К.Е. Завьялов, к.с.-х.н., С.Л. Менщиков, д.с.-х.н., Ботанический сад УрО РАН

Древесные виды вблизи и на территории промышленных городов вносят значительный вклад в улучшение и стабилизацию экологической обстановки. Аэротехногенное загрязнение оказывает существенное негативное воздействие на жизненное состояние и структуру растительных сообществ [1, 2]. Одной из важнейших характеристик состояния и жизнедеятельности растительных сообществ являются запасы надземной фитомассы. Соотношение фракций фитомассы также может служить показателем устойчивости и роста древостоя в условиях аэротехногенного загрязнения [3, 4, 5, 6]. Исследования продуктивности лесных насаждений в условиях загрязнения свидетельствовали об изменении запасов фитомассы сосновых древостоев, перестройке их фракционной структуры и распределения её по вертикальному профилю древостоя [7, 8, 9]. Вместе с тем мало внимания уделяется исследованию фитомассы древостоев лиственных видов искусственного происхождения, произрас-

тающих в условиях аэропромвыбросов. Целью наших исследований являлось изучение влияния аэротехногенных выбросов магнезитового производства на запасы и структуру надземной фитомассы берёзы повислой (Betula pendula Roth), выращенной при разных уровнях загрязнения.

Исследования проводились в районе г. Сатка Челябинской области в зоне аэротехногенных выбросов Саткинского комбината «Магнезит». Надземная фитомасса опытных культур берёзы повислой исследовалась в 2005 г. на опытных участках (ОУ), заложенных в 1980—1983 гг. в разных зонах магнезитового загрязнения. Саткинский район, по лесорастительному районированию Б.П. Колесникова, расположен в Уральской горной области и относится к Юрюзанско-Верхнеайскому округу ЮжноУральской провинции горных южнотаёжных и смешанных лесов [10]. ОУ расположены в северо-восточном направлении от источника выброса пыли, т.е. в секторе основного её сноса, в сходных лесорастительных условиях. Характеристика ОУ и опытных культур берёзы повислой представлена в таблице 1. ОУ № 2 расположен

в зоне сильного магнезитового загрязнения, ОУ № 5 — в зоне среднего загрязнения, ОУ № 3 — в зоне слабого загрязнения и ОУ № 4 — в зоне очень слабого загрязнения (условно контрольный участок).

Общей методической особенностью выполненных исследований было сравнение показателей роста и состояния культур берёзы повислой в условиях разного уровня магнезитового загрязнения с контролем.

Масса фракций фитомассы древостоя рассчитывалась по модельным деревьям, которые подбирались на основе комплексного метода [11] с некоторыми изменениями. Отбор деревьев проводили в пределах всего диапазона варьирования их размеров в августе, т.е. после стабилизации влажности фракций. Количество взятых модельных деревьев на каждом ОУ составило от 9 до 12. На ОУ вырубалось несколько деревьев из средней ступени толщины. Остальные модели отбирались из разных ступеней толщины по одному среднему для ступени. Обязательно брали деревья из низших и высших ступеней толщины.

Надземная фитомасса модельных деревьев определялась непосредственным взвешиванием. Фитомассу делили на следующие фракции: древесину ствола, кору ствола, ветви, листья и отмершие ветви. Надземная фитомасса изучалась в сыром состоянии на основе анализа показателей связей М.Г. Семечкиной [6], которая доказала правомерность использования как свежесрублен-ной, так и абсолютно сухой фитомассы. Данное обстоятельство, на наш взгляд, свидетельствует о возможности получения достаточно надёжных результатов при изучении фитомассы в сыром состоянии.

Для оценки надземной фитомассы древостоя применялся регрессионный метод. При вычислении надземной фитомассы её данные выравнивались с использованием аллометри-ческой (степенной) функции у = ахь, где у — фитомасса, кг; х — диаметр на высоте груди, см; а, Ь — коэффициенты. Показателем меры точности выравнивания и тесноты связи является коэффициент детерминации. Теснота связи при оценке фракций фитомассы различная. Очень

тесная связь определена у древесины ствола (г2 от 0,96 до 0,99), у коры ствола (г2 от 0,94 до 0,96) и у общей фитомассы (г2 от 0,96 до 0,99). При оценке кроновой массы наблюдается тесная связь у фракции листьев и ветвей (г2 от 0,85 до 0,95 и от 0,87 до 0,97 соответственно). Связи достоверны на уровне значимости выше 95% по критерию Фишера. Таким образом, данная функция достаточно объективно описывает исследуемые нами связи и обеспечивает высокую точность при оценке фитомассы. Это позволяет со значительной степенью вероятности находить значения фракций фитомассы по ступеням толщины. Использование данного метода выравнивания и ряда распределения по ступеням толщины позволило нам определить фитомассу древостоя в целом.

В берёзовых древостоях при увеличении степени загрязнения наблюдаются изменения в морфологической структуре. При повышении загрязнения происходит увеличение варьирования фитомассы по ступеням толщины (рис. 1). Кривые распределения фракций надземной фитомассы по ступеням толщины показывают левостороннее смещение их значений с усилением техногенной нагрузки. Таким образом, с увеличением магнезитового загрязнения окружающей среды в берёзовых древостоях повышается доля фитомассы низших ступеней толщины. В условиях увеличивающегося загрязнения островершинный характер кривых распределения фитомассы древостоя по ступеням толщины имеет тенденцию к изменению в сторону плосковершинности, что свидетельствует об уменьшении доли фитомассы средних ступеней толщины. Распределение массы разных фракций по ступеням толщины с увеличением степени загрязнения происходит по одной закономерности. Анализ количественных показателей фракций надземной части древостоев свидетельствует о снижении их при увеличении степени загрязнения (рис. 2).

В зоне сильного загрязнения в варианте без мелиоранта опытные культуры погибли, остались лишь отдельные экземпляры посадок. В данной зоне сохранился лишь вариант с торфом слоем в

1. Характеристика ОУ и некоторые таксационные показатели культур берёзы повислой

^ С Вариант Средние Тип леса Тип почвы Расстояние от «Магнезита», км

диаметр высота

2 Без мелиоранта 3,9±0,27 3,5 С. яг. горная серая лесная сильнооподзоленная, легкосуглинистая, каменистая 1

Торф 12 см 7,7±0,31 7,7

5 Без мелиоранта 4,5±0,16 6,6 С. яг. горная серая лесная легкосуглинистая неполноразвитая 3

3 Без мелиоранта 8,9±0,29 10,4 С. ртр. тёмно-серая лесная легкосуглинистая 5

4 Условный контроль 9,9±0,27 11,1 С. яг. горная серая лесная среднеопод-золенная, среднесуглинистая 10

40000

35000

= я 30000

й Ъ 25000 а к

& я 20000

!? § 15000

9 е

« Й 10000

М 5000 0

Диаметр, см

6 8 10 12 14 16

Диаметр, см

Диаметр, см

9000 8000 £ 7000

и

“ 6000

’I 5000

4000

я 3000 и

л 2000 М 1000

24

6 8 10 12 14 16

Диаметр, см

18

№ ОУ/Зона загрязнения

ОУ №4/контроль ОУ №5/средняя

ОУ №3/слабая

Рис. 1 - Распределение компонентов фитомассы по ступеням толщины в разных зонах загрязнения

0

о

н

к

«

к

Я

250

200

150

100

50

0

1 1

ПТ р 1

1

- 5 —Г—ШШ М ИЙ —.—рШ

&

(Й

л

о

и

й

к

о

л

и

Фракции надземной фитомассы № ОУ/Зона загрязнения / вариант:

№ 2/сильная / торф 12 см  № 5/средняя / без мелиоранта

№ 3/слабая / без мелиоранта Рис. 2 - Надземная фитомасса берёзового древостоя

12 см. Сравнение надземной фитомассы древостоя с другими участками велось по варианту с торфом. В зоне сильного загрязнения, в варианте с торфом, масса древесины ствола снижается с 132,9 до 21,9, коры ствола — с 27,1 до 5,6, листьев — с 15,5 до 4,5, ветвей — с 32,5 до 6,1, а также общая надземная фитомасса — с 211,2 до 40,5 т/га по сравнению с контролем. Различия между участками, представляющие разную степень загрязнения, существенно выражены по всем фракциям фитомассы. Наиболее интенсивно снижается фитомасса ветвей и древесины

! № 4/контроль

ствола. В зоне сильного загрязнения (ОУ №2) фитомасса коры и древесины ствола снижается в 5—6 раз по сравнению с контрольным участком, в зоне среднего загрязнения — в 4—5 раз, в зоне слабого загрязнения — на 40—70%. Менее интенсивно снижается масса листьев и коры. В зоне сильного загрязнения, по сравнению с контролем, данные фракции снижаются в 3—5 раз, в зоне среднего загрязнения — в 3 раза, в зоне слабого загрязнения — на 40—50%. Подобная закономерность снижения массы фракций надземной фитомассы в условиях аэротехно-

Фракции надземной фитомассы

№ ОУ/Зона загрязнения / вариант:

ОУ №2/сильная/торф 12 см  ОУ №5/средняя/без мелиоранта

ОУ №3/слабая/без мелиоранта ^ ОУ №4/контроль

Рис. 3 - Содержания фракций надземной фитомассы от общей при разном уровне загрязнения, %

генного загрязнения отмечается в работах ряда исследователей [2, 8, 9].

В берёзовом древостое существенные изменения прослеживаются не только в массе фракций фитомассы, но и в долевом участии отдельных компонентов. В результате взаимодействия в процессе роста между отдельными деревьями, древостоем в целом и условиями среды в древостое складываются определённые соотношения запасов отдельных фракций фитомассы. С увеличением диаметра деревьев доля древесины ствола и ветвей увеличивается, а доля листвы и коры уменьшается.

В среднем на древостой доля древесины ствола в общей фитомассе с увеличением уровня загрязнения последовательно уменьшается, а доля листвы увеличивается (рис. 3). В зоне сильного загрязнения в варианте с торфом доля древесины ствола уменьшилась по сравнению с контролем на 9%, а доля листвы увеличилась на 4%.

Анализ доли ветвей в общей фитомассе показывает тренд по снижению данного показателя с увеличением уровня загрязнения. Масса ветвей в насаждениях, как отмечает М.Г. Семечкина [6], подвержена значительным колебаниям, что связано с широким диапазоном варьирования этого показателя и относительно низкой по сравнению с другими фракциями фитомассы точностью его определения. Анализ доли коры показывает тренд по увеличению данного показателя с увеличением степени загрязнения. Уменьшение доли ствола и повышение доли хвои сосны с увеличением аэротехногенной нагрузки подтверждается также в работах И.А. Юсупова с соавторами [8] и А.А. Мартынюка [9].

Таким образом, длительное хроническое аэротехногенное магнезитовое загрязнение в берёзовом древостое приводит к снижению

темпов роста, отчётливым изменениям в морфологических показателях и структуре древостоев. В зонах загрязнения происходит сокращение диапазона естественных ступеней толщины, увеличение варьирования надземной фитомассы древостоя по ступеням толщины, усиление левостороннего смещения и плосковершинность кривых распределения фитомассы по диаметру. На опытных участках происходит снижение запаса надземной фитомассы берёзового древостоя. Во фракционной структуре наиболее активно снижается масса древесины ствола и ветвей. В меньшей степени снижается масса листьев и масса коры. Во фракционном составе надземной фитомассы древостоев по мере увеличения уровня загрязнения происходит снижение доли древесины ствола и увеличение доли листвы.

Литература

1. Смит У.Х. Лес и атмосфера. М.: Прогресс, 1985. 429 с.

2. Цветков В.Ф., Цветков И.В. Лес в условиях аэротехно-генного загрязнения. Архангельск: ОГУП «Соломбальская типография», 2003. 354 с.

3. Горбатенко В.М. Структура фитомассы древесного яруса сосняков // Изучение природы лесов Сибири. Красноярск, 1972. С. 3-10.

4. Макаренко А.А. О свойствах рядов распределения деревьев в древостоях // Лесоведение. 1975. № 6. С. 42-60.

5. Рубцов В. И., Рубцов В. В. Биологическая продуктивность культур сосны при разной густоте посадки // Лесоведение. 1975. № 1. С. 28-36.

6. Семечкина М.Г. Структура фитомассы сосняков. Новосибирск: Наука, 1978. 65 с.

7. Аугустайтис А.А. Особенности формирования надземной фитомассы сосновых молодняков в условиях загрязнения природной среды // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. Т. 12. С. 32-51.

8. Юсупов И.А., Луганский Н.А., Залесов С.В. Состояние искусственных сосновых молодняков в условиях аэропром-выбросов. Екатеринбург: УГЛТА, 1999. 185 с.

9. Мартынюк А.А. Особенности формирования надземной фитомассы сосновых молодняков в условиях техногенного загрязнения // Лесоведение. 2008. № 1. С. 39-45.

10. Колесников Б.П. Леса Челябинской области // Леса СССР. М., 1969. Т. 4. С. 125-157.

11. Бабич Н.А., Мерзленко М.Д. Биологическая продуктивность лесных культур. Архангельск: Изд-во АГТУ, 1998. 89 с.