Морфофизиологическая и автоматизированная оценка состояния сосновых древостоев в зоне действия атмосферных промышленных загрязнений

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Библиографический список

1. Агроклиматический справочник Кустанайской области; под ред. Э.С. Зарембо. - Алма-Ата, 1969. - 200 с.

2. Арманд, А.Д. Переход экосистем через критические состояния в пространстве / А.Д. Арманд, Г.В. Кушнарева // Экосистемы в критических состояниях. - М.: Наука, 1989. - С. 75-138.

3. Гвоздецкий, Н.А. Казахстан / Н.А. Гвоздецкий, В.А. Николаев. - М.: Мысль, 1971. - 281 с.

4. Грибанов, Л.Н. Степные боры Алтайского края и Казахстана / Л.Н. Грибанов - М.: Гослесбумиздат, 1960. - 155 с.

5. Дружинин, Ф.Н. Особенности формирования и роста подпологовой ели в лиственных насаждениях / Ф.Н. Дружинин // Труды Ин-та леса НАН Беларуси. Вып. 58. - Гомель, 2003. - С.115-116.

6. Колесников, Б.П. и др. Лесорастительные условия и типы лесов Свердловской области / Б.П. Колесников, Р.С. Зубарева, Е.П. Смолоногов. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1974. - 176 с.

7. Леса России-2005 // Российская лесная газета, 2006. - № 8-10.

8. Маланьин, А.Н. Дерново-боровые почвы островных боров Северного Казахстана / А.Н. Маланьин // Изв. АН КазССР, серия «Биология». - 1979. -№ 2. - С. 73-79.

9. Усольцев, В.А. Фитомасса лесов Северной Евразии: база данных и география / В.А. Усольцев. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001. - 707 с.

10. Усольцев, В.А. Биологическая продуктивность лесов Северной Евразии: методы, база данных и ее приложения / В.А. Усольцев. - Екатеринбург: УрО РАН, 2007. - 638 с.

11. Усольцев, В.А. Методы определения биологической продуктивности насаждений / В.А. Усольцев,

С.В. Залесов. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2005. -147 с.

12. Чмыр, А.Ф. Лесные культуры. Методические указания по исследованию корневых систем древесных пород / А.Ф. Чмыр. - Л.: ЛЛТА, 1984.40 с.

13. Brown S. et al. Biomass of tropical tree plantations and its implications for the global carbon budget / S. Brown, A. Lugo, J. Chapman // Can. J. For. Res. 1986. Vol. 16. No. 2. P. 390-394.

МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СОСНОВЫХ древостоев в зоне действия АТМОСФЕРНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

B. В. ФОМИН, доц. каф. биофизики УГЛТУ, канд. с.-х. наук,

А.С. ПОПОВ, асс. каф. биофизики УГЛТУ,

Н.Ф. НИЗАМЕТДИНОВ, асп. каф. таксации и лесоустройства УГЛТУ,

Ю.В. ШАЛАУМОВА, асп. каф. лесоводства УГЛТУ,

C. А. ШАВНИН, проф., директор Ботанического сада УрО РАН, д-р биол. наук

Экологи и лесоводы располагают значительным арсеналом способов оценки состояния древостоев, произрастающих в условиях загрязнения атмосферы промышленными выбросами. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. В настоящее время предпочтение отдается методикам, в основе которых лежат прямые и косвенные измерения. Однако визуальная оценка древостоев также активно используется при проведении санитарного обследования лесов. Преимуществами визуальной оценки перед инструментальными измерениями и комплексной морфофизиологической оценкой состояния древостоев [8] являются скорость проведения работ и их относительная дешевизна. Недостатки данного подхода - субъективность оценок и трудности определения промежуточных категорий ослабленности деревьев.

Современный уровень развития технологий анализа изображений и программно-аппаратной базы позволяют в значительной степени избавиться от описанных выше недостатков.

Объекты и методика

Оценку состояния древостоев проводили на территории, прилегающей к Среднеуральскому медеплавильному заводу (СУМЗ). В качестве объекта исследования были выбраны молодые (20-40 лет) и стар-шевозрастные (70-130 лет) сосновые насаждения, произрастающие на разном удалении от источника загрязнений. На рисунке приведена карта-схема расположения пробных площадей (ПП) в районе исследований. Участки подбирали парами так, чтобы в каждом конкретном месте рядом располагались молодые и старшевозрастные сосновые

80

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

древостой. Однако в ряде случаев оказалось невозможно обнаружить сосновые древос-тои старших возрастов, в результате было заложено 15 ПП в сосновых молодняках искусственного происхождения и 12 - в стар-шевозрастных насаждениях.

На указанных участках был проведен подеревный перечет в соответствии с общепризнанными методиками [4]. На каждой пробной площади подбирали модельные деревья с диаметрами, близкими к среднему (в молодняках - 20, в старшевозрастных - 6-10), у которых измеряли диаметр на высоте 1,3 м с точностью до 0,1 см. У каждого дерева на этой высоте были взяты керны древесины.

Рассчитывали обобщенный показатель состояния (ОПСморф) на основе двух показателей - диаметра деревьев и радиального прироста ствола за 5 лет. Древостои на пробных площадях имеют разный возраст, поэтому для получения корректной оценки их состояния диаметры модельных деревьев были приведены к одному возрасту - молод-няки к тридцати, а старшевозрастные древос-тои к семидесяти годам. Приведение диаметров деревьев к единому возрасту проводили путем прибавления или вычитания величин радиальных приростов за соответствующие периоды. Расчет ОПСморф стволов проводили с использованием математической модели, разработанной на основе функции желательности Харрингтона [8]. Данная методика

была доработана для получения возможности оценки состояния каждого дерева на пробных площадях. В качестве контрольного участка была принята пробная площадь № 4, расположенная на расстоянии 18,9 км (молодняки) и 19,1 км (старшевозрастные) к юго-востоку от источника загрязнений [7]. Медиана является более устойчивой статистикой по сравнению со средним арифметическим при условии, что выборка не подчиняется нормальному распределению. Поэтому медиана, первый и третий квартили были выбраны для представления результатов. Интервалам значений ОПС соответствуют качественные определения состояний древостоев. Если показатель имеет значение 25 баллов и ниже, то состояние оценивается как очень плохое, 26-35 - плохое, 36-45 - удовлетворительное и свыше 45 - хорошее [8].

Морфофизиологические показатели древостоев позволяют комплексно подойти к решению проблемы оценки состояния. С этой целью в сосновых молодняках искусственного происхождения у модельных деревьев определяли высоту и приросты по высоте за последние 5 лет (по мутовкам). Небольшая высота молодых деревьев позволила брать из средней части кроны хвою с целью изучения пигментного состава ее фотосинтетического аппарата. Определение содержания хлорофилла а проводили по общепризнанной методике [3].

Пробные площади возраст древостоев: а - 70 - 130 лет + - 20 - 40 лет

Высота над уровнем моря, м

250 - 300 300 - 350

350-400 400 - 450 450 - 500 500 - 550 550 - 600

Рисунок. Карта-схема расположения пробных площадей в районе исследований. Флагом обозначено местоположение Среднеуральского медеплавильного завода

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007

81

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

На основе пяти показателей состояния (по диаметру, радиальному приросту за 5 лет, высоте, приросту по высоте за 5 лет, содержанию хлорофилла а), найденных для каждого модельного дерева в молодняках сосны, получали обобщенный показатель состояния, рассчитанный на основе морфофизиологических характеристик (ОПСморф+хл А). Методика расчета этого показателя аналогична той, что использовалась при определении ОПСморф.

Крона модельных деревьев старших возрастов располагается на значительном удалении от земли, поэтому сбор хвои на анализ практически невозможен.

Автоматизированный метод оценки состояния деревьев по цифровым фотографиям с использованием компьютерной системы анализа изображений был разработан с целью устранения крупных недостатков глазомерного метода, а также для упрощения оценки состояния крон высоких деревьев.

На пробных площадях была произведена фотосъемка крон деревьев цифровым фотоаппаратом Canon EOS D350. При фотографировании деревья подбирали таким образом, чтобы крона дерева не перекрывалась кронами соседних деревьев. При этом добивались того, чтобы на снимке была видна вся крона. Фотосъемку производили в дневное время в режиме с автоматической настройкой баланса белого.

Методика обработки изображений реализована в системе анализа изображений SIMAGIS Research (SIAMS (Россия) и Smart Imaging Technologies (США)). Данный программный продукт представляет собой систему анализа изображений, разработанную по технологии электронных таблиц. Ячейки такой таблицы могут обрабатывать изображения, числовые и текстовые данные. При обработке фотографии в цифровом виде строится цепочка взаимосвязанных ячеек. При этом каждый этап анализа доступен для визуального контроля эксперта. Для обработки нового изображения достаточно просто поместить его в начальную ячейку цепочки обработки. Полученные фотографии были обработаны в автоматизированной системе по анализу изображений. Для каждой пробной площади было обработано не менее 5 фотографий.

На основании полученных данных рассчитывали обобщенный показатель состояния 1111 (ОПСфото) для каждого дерева и на пробную площадь в целом. Следует отметить, что увеличение значений ОПС, свидетельс-

фото

твует об ухудшении состояния древостоев.

На всех 11 были взяты образцы почв и проведено измерение содержания в них меди. Образцы были подготовлены к анализу по стандартной методике [1] с использованием сита диаметром 0,312 мм. Измерение концентрации меди проводили по общепризнанной методике в вытяжках, полученных при обработке образцов азотной кислотой, на атомноабсорбционном спектрометре «Спираль-14» (среднее квадратичное отклонение < 7 %).

Статистическую обработку данных проводили в статистическом пакете «R».

Результаты

В табл. 1 и 2 представлены значения содержания меди в почве, а также величины обобщенного показателя состояния, рассчитанного исходя из значений приведенных диаметров и радиальных приростов за 5 лет (ОПСморф). Для молодняков приведены значения обобщенного показателя состояния, рассчитанные на основе комплекса морфофизиологических характеристик (ОПС ^ .). Обобщенные показате-

ли состояния, вычисленные по фотографиям (ОПСфото), приведены для старшевозрастных сосновых насаждений.

Переведя числовые значения, представленные в столбце «ОПСморф» двух таблиц, в качественные показатели, получили возможность сопоставить состояния древос-тоев различных возрастов, произрастающих в непосредственной близости друг от друга. Сосновые молодняки в основном характеризуются хорошим (восемь пробных площадей) и удовлетворительным (четыре пробные площади) состоянием. Плохим состоянием характеризуются древостои ПП 1 и 1111 11, расположенные на восточной границе Первоуральска. Низкие величины обобщенного показателя состояния, рассчитанного на основе значений приведенных диаметров и радиальных приростов за 5 лет, на этих пробных площадях объясняются отчасти их местоположением в верхней части рельефа (рисунок).

82

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Таблица 1

Обобщенные показатели состояния древостоев в сосновых молодняках искусственного происхождения, рассчитанные по диаметрам и радиальным приростам

Расстояние до СУМЗ, км ОПСморф ОПСморф. + хл. А

№ ПП Содержание меди в почве, мг/г медиана 1-ый квартиль/ 3-ий квартиль медиана 1-ый квартиль/ 3-ий квартиль

1 10,0 233 27,0 24,0 / 29,8 39,7 36,2 / 43,2

2 11,9 46 55,1 46,9 / 60,7 58,7 52,7 / 64,6

3 8,0 211 38,9 31,3 / 40,8 42,6 36,6 / 48,9

4 19,2 30 65,6 58,4 / 67,3 60,8 57,1 / 64,2

5 20,0 23 62,9 56,8 / 66,2 62,3 57,6 / 65,9

6 11,8 95 33,2 23,3 / 41,2 33,9 28,5 / 41,5

7 14,3 23 49,2 37,3 / 54,9 57,4 49,8 / 61,1

8 8,0 362 46,5 40,9 / 49,3 56,7 52,5 / 61,8

9 4,0 376 11,3 9,4 / 13,7 9,3 7,5 / 11,6

10 9,8 118 37,3 31,9 / 41,7 47,0 43,9 / 50,7

11 13,0 117 22,9 19,2 / 26,0 37,5 32,8 / 40,1

12 3,0 360 37,8 36,6 / 42,2 34,7 32,8 / 39,0

13 17,5 101 53,3 49,0 / 62,1 57,4 50,5 / 64,1

14 13,6 23 68,1 62,3 / 70,7 61,9 58,0 / 66,9

15 28,3 46 49,2 45,5 / 51,3 52,5 47,1 / 56,9

Таблица 2

Обобщенные показатели состояния старшевозрастных сосновых древостоев естественного происхождения, рассчитанные по диаметрам и радиальным приростам (ОПСморф), по фотографиям (ОПСфото) за последние 5 лет

Расстояние до СУМЗ, км ОПСморф ОПСфото

№ ПП Содержание меди в почве, мг/г медиана 1-ый квартиль/ 3-ий квартиль медиана 1-ый квартиль/ 3-ий квартиль

1 9,8 432,5 38,9 32,2 / 48,0 0,26 0,22 / 0,30

2 11,5 59,9 34,9 27,2 / 38,9 0,18 0,12 / 0,20

3 8,4 274,2 30,8 25,0 / 33,6 0,22 0,18 / 0,25

4 18,6 25,3 59,4 48,0 / 65,1 0,12 0,11 / 0,16

5 19,3 63,1 37,3 30,7 / 45,6 0,14 0,14 / 0,14

6 12,9 129 37,4 33,9 / 42,4 0,18 0,16 / 0,19

7 12,0 170,8 32,1 25,9 / 40,0 0,20 0,17 / 0,22

8 9,8 364,5 13,5 13,0 / 15,0 0,18 0,15 / 0,20

10 11,3 81,5 40,5 39,9 / 43,5 0,16 0,15 / 0,16

12 1,3 280,7 17,9 17,5 / 18,3 0,21 0,18 / 0,24

13 16,7 129,1 36,4 34,0 / 40,3 0,20 0,19 / 0,21

15 27,6 281 21,0 18,4 / 27,4 0,19 0,18 / 0,19

Плохое состояние древостоев вызвано относительно близким их расположением к СУМЗ. Кроме того, в районе исследований преобладают ветры западного направления, что способствует переносу загрязненных поллютантами воздушных масс в направлении данных участков. Положение в рельефе также может косвенно влиять на рост древостоев, т.к. на верхних частях склона встречаются маломощные и относительно бедные почвы. Очень

плохое состояние имеет древостой пробной площади № 9, находящейся в непосредственной близости от источника загрязнения.

Старшевозрастные древостои шести из двенадцати пробных площадей характеризуются удовлетворительным состоянием. В очень плохом состоянии находятся древостои ПП 8 и ПП 12, располагающиеся на возвышенных элементах рельефа вблизи СУМЗ. Плохое состояние имеют древостои на про-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007

83

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

бных площадях 3, 7 и 15, расположенных в непосредственной близости от Первоуральска, поселка Билимбай и Екатеринбурга соответственно. Величина ОПС ,, характерная для древостоев с хорошим состоянием, получена только для контрольной ПП 4.

Таким образом, состояние молодых сосновых древостоев искусственного происхождения, произрастающих на территории района исследования, несколько лучше состояния расположенных рядом с ними стар-шевозрастных древостоев.

Содержание меди в почве является показателем уровня техногенной нагрузки, которую испытывает древостой в определенной точке района исследований. Значения этого параметра на пробных площадях коррелируют с величинами обобщенного показателя состояния, рассчитанного по величинам диаметров и радиальных приростов за последние 5 лет. Коэффициент корреляции между содержанием меди в почве и ОПСморф молодых и старшевозрастных древостоев находится на одном уровне и составляет значение -0,55 на уровне значимости меньше 0,05. Возрастание содержания металла в почве сопровождается снижением обобщенного показателя, а значит ухудшением состояния насаждений. Этот факт позволяет утверждать, что величины обобщенных показателей состояния зависят от уровня аэропромышленного загрязнения.

Для получения объективной и точной оценки состояния древостоя желательно использовать не только показатели, которые характеризуют ростовые процессы в деревьях, но и особенности протекания в них физиологических процессов. Дополнение ОПСморф молодняков данными о приведенных высотах, приростах по высоте за последние 5 лет и содержании хлорофилла а в хвое модельных деревьев позволило сделать оценку древос-тоев более точной. Коэффициент корреляции между ОПСморф+хл А и показателем загрязненности почвы медью составил -0,66 при уровне значимости ниже 0,01.

Обобщенный показатель состояния старшевозрастных древостоев, рассчитанный по фотографиям крон деревьев (ОПСфото), также коррелирует с величиной содержания меди в почве (г = 0,55, уровень значимости < 0,05),

то есть увеличение содержания металла в почве сопровождается ростом показателя ОПСфото, что соответствует ухудшению состояния древостоя. Древостои ПП 4 и 5, расположенные на удалении 19,1 и 19,7 км в юго-западном направлении от СУМЗ, имеют наименьшие значения показателя ОПС , что соответству-

фото

ет хорошему состоянию. Насаждения ПП 1, 3 и 12 характеризуются высокими значениями ОПС , что позволяет оценить их состояние

фото

как плохое. Данные участки расположены на удалении 9,4, 8,8 и 1,8 км от завода. Медианы ОПСфото на данных пробных площадях достоверно отличаются от аналогичных показателей ПП 4 и 5. Значения медиан обобщенного показателя состояния, рассчитанного по фотографиям крон, для участков с удовлетворительным состоянием древостоев находятся в интервале между 0,15 и 0,20. Таким образом, анализ фотографий крон деревьев сосны старших возрастов позволил выделить три состояния древостоев (хорошее, удовлетворительное, плохое) на основании вычисления ОПС .

фото

Проведенные нами исследования показали, что молодые насаждения, произрастающие в районе действия СУМЗа, находятся в лучшем состоянии, чем старшевозрастные. При использовании комплекса морфометрических и физиологических характеристик деревьев достигается более точная оценка состояния древостоев. Для решения этой задачи применительно к древостоям старших возрастов перспективным выглядит использование метода автоматизированного анализа фотоизображений кроны. Причем этот метод применим как для проведения экспресс-оценки, так и в сочетании с другими методами оценки состояния древостоев.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты: № 06-04-49359, № 04-04-96143) и Федерального агентства по науке и инновациям (проект НШ-9692-2006.4, 2006-07 гг).

Библиографический список

1. Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв / Е.В. Аринушкина. - М.: МГУ, 1970. - 492 с.

2. Крючков, В.А. Химический анализ лесного растительного сырья / В.А. Крючков, Г.Н. Новоселова, И.П. Степанова. - Свердловск, 1988. - 74 с.

84

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007