Продуктивность сосновых лесов средней тайги под влиянием нефтяного загрязнения и подтопления территории

М. Н. Казанцева

ПРОДУКТИВНОСТЬ СОСНОВЫХ ЛЕСОВ СРЕДНЕЙ ТАЙГИ ПОД ВЛИЯНИЕМ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ

Анализируются последствия нефтяного загрязнения и подтопления территории по показателям продуктивности среднетаежных сосновых лесов зеленомошной группы. Отмечено значительное снижение запаса древесины и фитомассы сырорастущей части нарушенных древостоев, что приводит к снижению ассимиляционного потенциала насаждений и их роли в депонировании атмосферного углерода.

Продуктивность — одна из важнейших характеристик лесного сообщества, которая позволяет оценить участие биоценозов в биосферных процессах, связанных с накоплением органического вещества и ассимиляцией атмосферного углерода. Углекислый газ атмосферы считается основным парниковым газом, определяющим глобальное потепление климата Земли. Лесные экосистемы обеспечивают эффективный сток углекислого газа в процессе фотосинтеза и длительное депонирование углерода в органических связях.

Негативное воздействие на леса со стороны человека, приводящее к уменьшению продуктивности насаждений и сокращению покрытых лесом площадей, ослабляет биосферные функции лесов, в том числе их роль в углеродном цикле территорий различного масштаба.

На лесные сообщества северных территорий Тюменской области основное влияние оказывает нефтегазодобывающая отрасль промышленности, характеризующаяся целым комплексом различных видов воздействия. Наиболее широко распространенные из них — химическое загрязнение, а также подтопление и затопление территорий в результате перекрытия стока линейными и площадными сооружениями. Эти виды воздействия уже привели к нарушению и гибели лесов — только на территории Ханты-Мансийского автономного округа десятков тысяч гектаров [Чижов, 1998].

Цель настоящей работы — проанализировать влияние нефтяного загрязнения и подтопления территории на основные показатели продуктивности лесных сообществ Среднего Приобья на примере сосняков зеленомошной группы. Данные, используемые в работе, были получены на пяти пробных площадях — одной контрольной и четырех опытных, заложенных в 2006 г. в сосняках бруснично-зеленомошных в среднетаежной подзоне Тюменской области на территории Ханты-Мансийского и Советского административных районов. Пробные площади размером 50*50 м характеризуются сравнительно однородным видовым составом древостоя и напочвенного покрова, одним возрастом основной породы и близостью ряда других показателей, но отличаются друг от друга видом действующего фактора, интенсивностью и давностью воздействия.

Две пробные площади были заложены на территории Талинского месторождения нефти, на участках аварийного разлива нефти 2001 г. По данным экологических паспортов нефтезагрязненных участков, первоначальная концентрация нефти в почве на пробной площади № 1 (ПП1) составляла немногим более 20 %, что соответствует средней степени загрязнения по принятой нами классификации [Гашев и др., 1992]; загрязнение пробной площади № 2 (ПП2) было сильным — более 50 % нефти. В настоящее время содержание

нефти в почве существенно снизилось на обоих участках и составляет 3,2 и 37,7 % соответственно. Здесь же, на чистой территории, была заложена контрольная пробная площадь.

Пробные площади № 3 и 4 (ПП3, ПП4) заложены на землях Правдинского месторождения нефти в сосняке, пересеченном автомобильной дорогой сообщением г. Нефтеюганск — п. Пойковский. В отличие от нефтяного загрязнения, имеющего характер острого, но одномоментного воздействия, подтопление территории носит, как правило, долгосрочный, хронический характер. Оно существует, пока существует подпорное сооружение. Дорога введена в эксплуатацию в 1975 г., следовательно, срок действия рассматриваемого фактора составляет более 30 лет.

Перепад уровня грунтовых вод по разным сторонам дороги сравнительно невелик и составляет всего 4,5 см. Вместе с тем со стороны, лежащей выше по уклону поверхности, отмечаются явные признаки подтопления территории. Здесь произошли заметные перестройки в составе живого напочвенного покрова: появились гидрофильные виды растений — осоки, пушицы; в сильной степени разрослись подушки сфагновых мхов; присутствуют участки открытой водной поверхности. Признаки заболачивания были хорошо видны уже при лесоустройстве 1999 г., на основании чего данный выдел был отнесен к сфагновому типу леса [Проект..., 1999]. Однако и сейчас сохраняются участки исходной растительности, типичные для зеленомошно-брусничных сосняков.

На подтопленной территории была заложена ПП3, с противоположной стороны от дороги — ПП4. На таких участках иногда наблюдаются эффекты частичного осушения территории, также сопровождающиеся изменением состава и продуктивности сообщества, правда, выраженные в значительно меньшей степени, чем при подтоплении [Васильев, 1998; Казанцева, 2006].

На всех пробных площадях был проведен перечет древостоя с указанием состояния каждого дерева по 3-балльной шкале: удовлетворительное (уд.), неудовлетворительное (неуд.), погибшее. Таксационная характеристика насаждений пробных площадей по данным перечета приводится в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика пробных площадей

Показатель № пробной площади

Контроль 1 2 3 4

Состав 9С1Б+К 9С1Б 8С2Б+К 9С1Б 9С1Б+Е

Возраст, лет 140 130 130 150 150

Число стволов, шт. 165 229 171 194 188

Ср. диаметр ствола, см 24 20 20 18 22

Ср. высота ствола, м 18 18 17 15 17

Запас древесины, м3/га 264 250 180 175 233

Бонитет, класс IV IV IV V IV

Полнота 0,8 0,8 0,7 0,6 0,8

Из данных табл. 1 видно, что на сравнительно ровном фоне средних значений диаметра и высоты стволов в сторону меньших величин выделяется ПП3. Очевидно, это результат хронического действия подтопления, проявляющегося на протяжении нескольких десятилетий и ставшего причиной снижения процессов роста и развития деревьев. Это подтверждается и при сравнении морфометрических показателей деревьев на ПП3 с показателями соседнего участка — ПП4, составлявшего когда-то единое целое с подтоп-

ленным. Здесь средние параметры деревьев значительно выше. Соответственно снизилась и продуктивность древостоя подтопленного участка, которая соответствует в настоящее время V классу бонитета. При относительно большом числе стволов этот участок характеризуется самыми низкими показателями полноты и запаса.

На всех пробных площадях присутствуют деревья различных категорий состояния (табл. 2).

Таблица 2

Распределение общего количества деревьев по категориям состояния

Состояние № пробной площади

Контроль 1 2 3 4

Уд. 158 / 96 105 / 46 34 / 20 111 / 57 177 / 94

Неуд. 0 / 0 69 / 30 38 / 22 50 / 26 4 / 2

Погиб. 7 / 4 55 / 24 99 / 58 33 / 17 7 / 4

Всего 165/ 100 229 /100 171 /100 194/100 188/100

Менее всего выражены изменения в состоянии древостоя на ПП4. Соотношение деревьев разных категорий здесь практически не отличается от контроля. Очевидно, воздействие осушения в данном случае минимально или полностью отсутствует.

Наибольшее количество погибших и ослабленных деревьев отмечается на участках с нефтяным загрязнением: на ПП1 доля деревьев этих категорий составляет 54 %, на ПП2 — 80 %. Это связано в первую очередь с токсическим действием нефти. Кроме того, нефть оказывает и опосредованное влияние на растительность, ухудшая водно-воздушные показатели почв.

Вполне сопоставимыми являются результаты, полученные на ПП1 и ПП3. Около половины деревьев на этих участках еще сохраняют хорошую жизнеспособность. Но интенсивность дигрессионных изменений древостоя на неф-тезагрязненном участке намного выше. Снижение жизненности и гибель деревьев до наблюдаемого уровня произошли здесь почти в 6 раз быстрее, чем на подтопленной территории. Скорость, с которой идут процессы заболачивания и разрушения древостоев на подтопленных территориях, во многом определяется величиной уклона поверхности. В наших предыдущих работах показано, что при более значительных перепадах высот на подтопленных участках гибель и выпадение деревьев происходит в гораздо более сжатые сроки. Так, при перепаде уровня грунтовых вод в 45 см на участке сосняка сфагновобагульникового в подтопленной части отмечалась гибель более 90 % деревьев уже через 5 лет после начала действия фактора [Казанцева, 2006].

Очевидно, что на пробных площадях № 1-3 будет происходить дальнейшее прогрессирующее накопление сухостоя за счет деревьев, находящихся в данный момент в неудовлетворительном состоянии. Наши наблюдения показывают, что при средней и сильной степени нефтяного загрязнения дигресси-онные процессы в древостое продолжаются на протяжении 6-12 лет в зависимости от типа почвы и концентрации нефти в ней и, как правило, заканчиваются полной гибелью древостоя [Казанцева, 1994]. На подтопленной территории по мере развития болотообразовательного процесса ослабление и гибель деревьев также будут прогрессировать.

Анализ породного состава сухостоя позволяет заключить, что для всех рассматриваемых факторов характерна более высокая устойчивость березы

по сравнению с сосной. На всех пробных площадях по сравнению с контрольной отмечается увеличение в сухостое доли сосны (рис. 1). Это иллюстрирует и состав валежа с той же закономерностью. Регистрируется и увеличение общего количества валежа и размерных характеристик упавших деревьев на опытных участках по сравнению с контрольным. На последнем естественный отпад идет за счет наиболее угнетенных экземпляров нижних классов Крафта со средним диаметром ствола 7,4 см. На опытных площадях в отпад попадают и более крупные деревья. Средний диаметр валежа на пробных площадях составляет соответственно: 10,4; 10,1; 9,2; 9,4 см.

80

70

60

50

* 40 о

4 30

20

10

0

береза

сосна

контроль ПП1 ПП2 ПП3

Пробные площади

ПП4

Рис. 1. Доля сухостоя от общего числа деревьев разных пород на пробных площадях

<и

о

го

с

го

сц

с;

о

СІ

80

60

40

20

валеж

сухостой

живые

контроль ПП1 ПП2 ПП3

Пробные площади

ПП4

Рис. 2. Доля различных категорий деревьев в запасе стволовой древесины на пробных площадях

Соотношение живых, сухостойных деревьев и валежа на пробных площадях по запасу древесины в коре приводится на рис. 2. Можно видеть, что на всех участках кроме ПП4 по сравнению с контролем возрастает доля

мертвой фракции, представленная сухостоем и валежом. На ПП2 эта фракция существенно преобладает над сырорастущей частью древостоя.

Показатели запаса древостоя и валежа на пробных площадях были использованы для расчета фитомассы насаждений с помощью коэффициентов конверсии объемных значений в весовые, приведенных в сводке «Углерод в экосистемах лесов и болот России» [1994]. В соответствии с этим же источником было рассчитано содержание углерода в фитомассе с использованием единого для всех фракций коэффициента, равного 0,5 (50 % углерода в пересчете на общую фитомассу). Перевод в массовые показатели проводили по главной породе. Полученные данные приводятся в табл. 3.

Таблица 3

Фитомасса

Фракция № пробной площади

Контроль 1 2 3 4

Живая 140,8 / 70,4 106,0 / 53,2 42,4 / 21,2 80,8 / 40,4 124,8 / 62,4

Сухостой 6,4 / 3,2 33,6 / 16,8 58,0 / 29,2 16,4 / 8,4 4,8 / 2,4

Валеж 6,4 / 3,2 13,2 / 6,8 20,0 / 10,0 5,6 / 2,8 3,6 / 2,0

Всего 153,6 / 76,8 152,8 / 76,8 120,4 / 60,4 102,8 / 51,6 133,2 / 66,8

Различия по общей фитомассе и суммарному количеству углерода деревьев на пробных площадях не столь велики. Они отражают естественные условия формирования древостоев на протяжении всей их жизни. Время же действия рассматриваемых факторов по сравнению с возрастом насаждений невелико. Исключение составляет только сосняк на ПП3, который испытывает на себе достаточно продолжительное во времени влияние подтопления. Снижение продуктивности на подтопленном участке вызвано не столько гибелью и отпадом деревьев, сколько общим уменьшением прироста древесины на протяжении нескольких последних десятилетий.

Соотношение фитомассы и углерода живой и мертвой части насаждений — иллюстрация негативных процессов антропогенного характера. На всех участках отмечается снижение фитомассы и запасенного углерода в живой фракции древостоя и увеличение — в мертвой. Этот процесс имеет последствия как на цено-тическом, так и на биосферном уровне. Избыточное накопление мертвого органического вещества приводит к распространению грибных, вирусных и микробных инфекций в лесном биоценозе, увеличению пораженности деревьев энто-мовредителями, усилению пожароопасности на нарушенных участках леса.

Количество живых деревьев составляет ассимиляционный фонд насаждения, определяющий величину годичной продукции и связывание атмосферного углерода. Согласно справочным данным [Лесотаксационный справочник, 1973], древостои сосны соответствующего возраста полноты и бонитета дают ежегодный прирост стволовой древесины 1,8 м3/га. Исходя из количества продуцирующей части древостоев, можно рассчитать значения этого показателя для пробных площадей. На всех участках величина годичной продукции будет ниже, чем в контроле, и составит соответственно: 1,4; 0,5; 1,0; 1,6 мз/га. Пропорционально будет снижаться и количество запасаемого углерода. На рис. 3 приводятся значения этого показателя на пробных площадях, ранжированные в порядке убывания, в процентах к контрольной площади.

100 п

80---- --------- -----------------------------------

=5 60---- ------ ------ ----------------------

О

| 40----- ------ ------ ----- -------------

> --------------------------------------------------

20---- --------- --------- -------- --------- —

0

контроль ПП4 ПП1 ПП3 ПП2

Пробные площади

Рис. 3. Годичное депонирование углерода сырорастущей частью древостоя на пробных площадях

Минимальное количество углерода, ежегодно депонируемого древостоем, приходится на участок с нефтяным загрязнением сильной степени. Этот показатель здесь в 3 раза ниже, чем в контроле. Реально же полученные значения будут еще меньше, так как к сырорастущей части древостоя в данном случае были отнесены и экземпляры, находящиеся в неудовлетворительном состоянии, ассимиляционный потенциал которых ниже, чем у здоровых деревьев. Ежегодная продукция древесины и депонирование углерода насаждениями опытных участков в дальнейшем будут еще снижаться по мере усыхания и отпада ослабленных деревьев.

Процессы гниения и распада накопленной органики отмерших стволов приводят к высвобождению заключенного в них углерода в значительно более короткие сроки, чем в условиях естественного развития насаждений. Время стояния сухостойных деревьев сосны до вывала составляет в среднем всего 7-9 лет [Пирогов, Чирков, 2002]. Это уменьшает биосферную роль лесов как резервуаров «лишнего» углерода. Кроме того, интенсивное накопление мортмассы на поверхности почвы приводит к смещению соотношения процессов синтеза и распада органического вещества нарушенных древосто-ев в сторону последних. В результате этого существенно увеличивается обратный поток углерода в атмосферу. Такие участки из разряда акцепторов превращаются в источники атмосферного углерода [Ведрова, 1998].

Очевидно, что восстановление эффективности продукционного процесса до исходного уровня на ПП1-3 потребует длительного времени. На нефте-загрязненных участках это время, необходимое для утилизации накопленного отпада и восстановления древостоя за счет новых поколений деревьев. На ПП3 сообщество сможет стать эффективным акцептором углерода, вероятно, только после формирования болотного биоценоза, близкого по обменным показателям к климаксному.

ЛИТЕРАТУРА

Васильев С. А. Воздействие нефтегазодобывающей промышленности на лесные и болотные экосистемы. Новосибирск: Наука, 1998. 136 с.

Ведрова Э. Ф. Углеродный цикл в сосняках таежной зоны Красноярского края // Лесоведение. 1998. № 6. С. 3-11.

Гашев С. Н., Казанцева М. Н., Рыбин А. В., Соромотин А. В. Методика оценки фитопригодности нефтезагрязненных территорий (с рекомендациями к рекультиваци-онным работам). Тюмень: ЛОС ВНИИЛМ, 1992. 13 с.

Казанцева М. Н. Влияние нефтяного загрязнения на таежные фитоценозы Среднего Приобья: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Екатеринбург, 1994. 26 с.

Казанцева М. Н. Антропогенное заболачивание лесов на нефтепромыслах Тюменской области // Проблемы экологии в современном мире: Материалы III Всерос. интернет-конф. Тамбов: ТГУ, 2006. С. 93-96.

Лесотаксационный справочник / Б. И. Грошев, П. И. Мороз, И. П. Сеперович,

С. Г. Синицын. М.: Лесн. пром-ть, 1973. 208 с.

Пирогов Н. А., Чирков Г. В. Продолжительность периода вывала сухостойных деревьев в зависимости от их диаметра и породы // Лес-2002: Материалы междунар. конф. Брянск.: БГИТА, 2002. С. 22-24.

Проект организации и ведения лесного хозяйства Красноленинского лесхоза, Ендырского лесничества. Новосибирск, 1999.

Углерод в экосистемах лесов и болот России / Под ред. В. А. Алексеева, Р. А. Бердси. Красноярск: Наука, 1994. 170 с.

Чижов Б. Е. Лес и нефть Ханты-Мансийского автономного округа. Тюмень: Изд-во Ю. Мандрики, 1998. 144 с.

ИПОС СО РАН, г. Тюмень

M. N. Kazantseva

PRODUCTIVITY OF PINE FORESTS UNDER OIL POLLUTION AND WATER TABLE RISE

OF THE TERRITORY

Subject to consideration being effects of oil pollution and water table rise of the territory basing on productivity indices in middle taiga pine forests of green moss group. Registered, a pronounced decrease in growing stock and phytomass of a raw-growing part of the disturbed stock of trees, resulting in decrease of assimilation potential of the plantations and their role in depositing atmospheric carbon.