Эколого-фитоценотические особенности формирования лесных растительных сообществ в условиях аэротехногенного загрязнения

ЭКОЛОГО-ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕСНЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ В УСЛОВИЯХ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Груммо Д.Г., Зеленкевич Н.А.

Phytocenosis-ecological aspects of formation of forest vegetative communities in conditions of technogenouspollution are revealed.

При атмосферном загрязнении лесные экосистемы являются долговременным депозитарием и биогеохимическим барьером на пути миграции поллютантов. Накопление продуктов техногенеза приводит не только к потере источников сырья, но и к нарушению «невесомых полезностей» леса, и, прежде всего, его средоста-билизирующих, санитарно-гигиенических и социальных функций. Поэтому рациональное использование и предотвращение деградации лесов под воздействием загрязняющих веществ является актуальной научной и народнохозяйственной проблемой.

Предпосылкой для успешного разрешения проблемы и разработки эффективных лесохозяйственных мероприятий являются знания, касающиеся особенностей фитоценогенеза лесных сообществ в условиях техногенного загрязнения. Целью настоящей работы является выявление эколого-фитоценотических особенностей формирования лесных растительных сообществ в зоне влияния выбросов Моги-левского промрайона.

Полевые исследования проведены в 2003 гг. на 16 постоянных пробных площадях (ППП), размещенных на различном расстоянии от источников выбросов в южном и северо-восточном направлениях от Могилевского промрайона (МПР). Модельными фитоценозами были выбраны сосняки мшистые (10С; 46-55 лет; лесные культуры; полнота 0,7-0,8; бонитет II; эдафотоп A2; 0,1-0,5-1,5-5-10-1520-25 км в южном направлении от МПР) и ельники кисличные (8-10Е2СБ(б); 4760 лет; естественное происхождение; полнота 0,7-0,8; бонитет 1-1а; эдафотоп С2; 0,1-0,5-1,5-5-10-15-20-25 км в северо-восточное направлении от МПР), являющиеся типичными для региона. В основу программы исследования положен комплексный (фитоценотический) подход. Полевые и лабораторные исследования выполнены в соответствии с общепринятыми в геоботанике, лесоведении, почвоведении и математической статистике методами.

Видимые признаки повреждения лесной растительности наблюдаются в непосредственной близости от источников промышленных выбросов (в радиусе до 1-1,5 км). В пространственном аспекте процессы деградации наиболее выражены в сосновых сообществах, развивающихся в зоне влияния выбросов комбината «Химволокно» (южный градиент). На территории, испытывающей воздействие промышленных выбросов, структура древесного яруса меняется мало, однако отмечается тренд в сторону понижения жизненного состояния эдифицирующей си-нузии исследованных сообществ (потеря жизненного потенциала по индексу состояния оценивается 10-30%) и изменяется соотношение в ней деревьев разных

категорий состояния (рис. 1). Доля здоровых деревьев, как правило, составляет менее 50%. Здесь также широко распространены характерные симптомы влияния атмосферного загрязнения - хлорозы и некрозы хвои, изреживание крон (рис. 2), повреждение и усыхание вершин деревьев, усиление процессов угнетения и гибели особей верхнего полога древостоев (см. рис. 1), снижение прироста деревьев.

В насаждениях, удаленных от источников загрязнения (10-25 км), внешние признаки повреждения древостоя отсутствуют, преобладают здоровые деревья (60-86% от общего количества учтенных), индексы состояния варьируют от 0,92 до 0,81 (сосновые древостои) и от 0,95-0,79 (еловые древостои). Некоторая ослаб-ленность ельников в дальней зоне (см. рис. 3) вызвана неблагоприятными погод-но-климатическими условиями (засухами) в исследуемый период (отсутствие существенного загрязнения подтверждается химическими анализами).

Изучены особенности радиального прироста древесных растений в естественных условиях и под воздействием промышленных выбросов. Установлено, что на всех объектах исследования прослеживается общая закономерность - снижение темпа радиального прироста с возрастом (табл. 2). Это - естественный процесс, однако в непосредственной близости от источников выбросов отмечено значительно более быстрое снижение темпа прироста. Например, в сосновом насаждении, расположенном в 0,1 км от комбината «Химволокно», за 30-летний период его функционирования (1971-2000 гг.) радиальный прирост Pinus sylvestris L. в среднем снизился в 1,7 раз и составил 58% от фонового периода (1966-1970 гг.). Для контрольного участка, расположенного в 25 км от источника выбросов, этот показатель в среднем уменьшился в 1,3 раза (76% от фонового пятилетия). Поскольку в результате действия естественных факторов интенсивность радиального прироста на контроле снизилась в среднем на 24%, а при совместном влиянии ес-

тественных и антропогенных факторов - на 42%, то их разность (18%) может быть отнесена на долю активного воздействия промышленных загрязнителей. В другом примере, на ППП, расположенной в 1 км от предприятия, за период 1971-2000 гг. наблюдается еще более существенная депрессия радиального прироста Pinus sylvestris L., которая составляет 32,5% по сравнению с контрольным насаждением (см. табл. 2). Установлено значимое изменение радиального прироста Pinus sylvestris L. (1факх=3,64-7,03; t05=2,01) на этих ППП по отношению к контрольным значениям. В разрезе отдельных периодов достоверный ^фжт=2,51-5,88; t05=2,01) переход на более низкие значения радиального прироста проявляется во второе пятилетие после начала работы «Химволокно» и практически совпадает с вводом в эксплуатацию на комбинате трех линий производства полиэфирного штапельного волокна (1975-1977 гг.) и значительным расширением проектных мощностей ТЭЦ.

Таблица 1-Темп радиального прироста деревьев в сосновых насаждениях III класса возраста на различном удалении от комбината «Химволокно»

Расстояние, Возраст, Темп радиального прироста, %

км лет T1 T2 T3 T4 T5 T6 Tобщий

1971- 1976- 1981- 1986- 1991- 1996- 1971-

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2000

1966- 1966- 1966- 1966- 1966- 1966- 1966-

1970 1970 1970 1970 1970 1970 1970

0,1 47 87,7±3,3 66,5±4,2 51,8±4,1 46,0±3,8 48,8±3,9 47,1±3,6 58,0±3,1

0,5 52 94,7±4,6 81,3±4,9 74,5±6,2 66,3±5,8 67,4±5,3 63,6±5,3 74,6±4,4

1 46 76,1±5,7 51,4±3,1 38,4±2,8 32,8±3,7 31,7±2,4 28,1±2,6 43,1±2,7

5 49 89,7±3,7 76,5±4,6 70,1±4,1 67,2±4,8 63,9±4,1 65,3±4,1 72,1±3,1

15 55 91,6±3,6 85,8±4,2 81,5±3,7 78,3±4,7 75,7±4,5 73,6±4,2 81,1±3,3

25 50 88,4±3,4 81,0±4,0 78,9±4,1 72,1±5,9 69,2±3,1 66,9±3,3 75,6±3,8

Однако снижение прироста в насаждениях, произрастающих в зоне влияния выбросов комбината, не носит тотальный характер. Например, данные измерений кернов и спилов (см. табл. 2), полученные на пробной площади, расположенной в 0,5 км от «Химволокно» показывают, что динамика темпов радиального прироста здесь существенно не отличается от контрольных показателей (1факт=0,17; ^=2,01). Не выявлено также достоверных отклонений (1факт=0,71-1,10; 1:05=2,01) от естественного хода роста по радиусу в сосновых насаждениях, размещенных в «буферной» зоне (5-15 км от комбината).

Условия обитания молодых древесных растений в зоне загрязнения являются несколько более благоприятными, что связано с их защитой растениями вышерасположенных ярусов, экранирующих действие токсических газов. В связи с этим, воздействие техногенного загрязнения на подрост в большей мере имеет опосредованный характер - через изменение ценотической среды. Установлено, что в отдельных лесных сообществах ближней зоны, как правило, наиболее поврежденных и деградирующих, из -за развития в «окнах» и на разреженных участках дре-востоев мощного полога из Rubus idaeus Ь., папоротников, иногда Chamerion angustifolium Но1иЬ наблюдается некоторое ослабление ростовых процессов, снижение численности подроста хвойных древесных растений, изменяется спектр

жизненных состояний их ценопопуляций, увеличивается доля участия мелколиственных пород. Однако, в целом, следует отметить, что существенных изменений параметров подроста (численность, доминирование, размещение, высота, возраст, жизненное состояние) в исследованных лесных сообществах по градиенту загрязнения не наблюдается.

Улучшение световой обстановки вследствие изреживания крон и выпадения части деревьев в сообществах, развивающихся в условиях техногенного загрязнения, приводит к разрастанию подлесочного яруса. Характерным является увеличение видового разнообразия, численности и биометрических показателей растений подлеска. Имеет место также определенное увеличение отпада, наличие заболеваний и повреждений. Наиболее адекватно реагируют индикаторы дигрессии -КиЪт \daeus Ь. и БатЬисш га сет ох а Ь. (рис. 3).

-* <--- <-

Градиент загрязнения

Категории жизненного состояния растений:

I-1 У/////////Л II111111111-й

здоровые ослабленные сильно ослабленные н погибшие

Рисунок 3- Численность и спектр жизненных состояний КиЪт idaeus Ь. (А) и БатЪисих тасвтоха Ь. (Б) на ППП, размещенных вдоль южного (сосняки мшистые) и северо-восточного (ельники кисличные) градиентов загрязнения

В лесных растительных сообществах, подвергшихся техногенному воздействию, значительные изменения отмечаются в живом напочвенном покрове. Происходит существенное изменение флористического состава (табл. 2). Характерным является увеличение видового разнообразия за счет внедрения в ценоз луговых и сорных видов, положительно реагирующих на изменения свойств эдафотопа и повышение интенсивности освещенности напочвенного покрова (рис. 4). На фоне заметных изменений в структуре нижних ярусов исследуемых лесных сообществ наблюдается снижение их продуктивности. При приближении к источникам загрязнения в формировании биомассы напочвенного покрова уменьшается доля участия мхов и повышается вклад осок, злаков (см. табл. 2).

Таблица 2 - Характеристика живого напочвенного покрова лесных фитоцено-зов на различном удалении от источников загрязнения

Рас-стоя- личе че- Количество видов поэколого- О к ^ о Проективное п о-крытие почвы яру- Надземная биомасса, г АСВ/м2

ние, км ценотическим группам сами растительности, %

лесные лесолуговые луговые и сорные моховым травяно-кустар-ничковым | злаки, осоки всего

Сосняки мшистые

0,1 43 9 19 15 0,22 39,3 44,3 82,72 8,10 115,49

0,5 52 13 19 20 0,14 51,9 58,7 102,84 14,41 156,68

1 69 20 19 30 0,10 18,4 24,2 39,41 20,38 89,05

25 24 13 9 2 1,0 90,8 32,3 218,76 1,10 256,84

Ельники кисличные

0,5 44 16 14 14 0,42 23,2 63,4 28,04 0,12 46,21

1 74 22 20 32 0,28 37,5 68,1 47,46 4,15 97,57

1,5 42 23 13 6 0,24 38,9 39,5 56,36 0,34 80,94

25 27 17 9 1 1,0 37,6 56,5 62,50 0,15 97,04

А. Группы растений по отношению к режиму затенения:

1 - гелиофиты (открытые пространства);

2 - субгелиофиты (полуоткрытые пространства);

3 - семигелиофиты (светлые леса);

4 - субсциофиты

Б. Группы растений по отношению к режиму кислотности почв:

1 - нейтрофилы (нейтральные почвы);

2 - субацидофилы (слабо кислые почвы);

3 - ацидофилы (кислые почвы);

4 - перацидофилы и гипераци-дофилы

В. Группы растений по отношению к азотному режиму почв:

1 - нитрофилы (богатые азотом почвы);

2 - субнитрофилы (достаточно богатые азотом почвы);

3 - геминитрофилы (бедные азотом почвы);

4 - субанитрофилы и анитро-филы

Рисунок 4- Структура травяно -кустарничкового яруса по отношению к режиму затенения (А), к режиму кислотности почв (Б), к азотному режиму почв (В) в сосняках мшистых, расположенных вдоль южного градиента загрязнения

Изучение индивидуальных особенностей реакции растений на техногенный пресс продемонстрировало различный их отклик. Ценотическая значимость типичных сильвантов по градиенту загрязнения, как правило, уменьшается, вплоть

до полной их элиминации из состава растительного сообщества. Характерным симптомом структурных изменений лесных растительных сообществ с начальной стадией повреждения является нарушения состояния эпифитного лишайникового покрова, начинающееся с угнетенности и изменения обилия чувствительных к атмосферному загрязнению видов лишайников. В районе интенсивного загрязнения (зона действия выбросов комбината «Химволокно» и ТЭЦ-2, южный градиент) эпифитный лишайниковый покров практически полностью разрушен, и фрагменты сохранились только в комлевой части стволов деревьев. Отмечена высокая чувствительность бриофитов к воздействиям техногенных поллютантов. Например, в сосновых фитоценозах в зоне влияния эмиссий «Химволокно», биомасса зеленых мхов, являющихся эдификаторами ценозов, составляет 35-60% от контроля (связь изменения биомассы с расстоянием от комбината значима при P=0,95 и г=0,75), а проективное покрытие мохового яруса статистически достоверно 0факт=6,21-12,08; ^5=2,01) уменьшается в 2-5 раз. В то же время у некоторых других ценопопуляций видов (как правило, сорных и луговых) наблюдалось увеличение их участия в составе ценоза вследствие освобождения соответствующих экологических ниш и проявления определенной устойчивости к загрязнению

На фоне снижения продуктивности лесных фитоценозов запас подстилки по градиенту загрязнения уменьшается (табл. 3). В южном направлении установлена четкая тенденция изменения биомассы Ao с расстоянием от комбината «Химволокно» (г=0,73; п=8; P=0,95).

Таблица 3 - Запас лесной подстилки сосновых лесов (южный градиент) при

2

разном уровне техногенного загрязнения, кг АСВ/м

Показатель Зоны загрязнения "(факт

ближняя

Общий запас А 0,98±0,15 2,52±0,37 3,86

Запас свежего опада (ЛоЬ) 0,24±0,02 0,58±0,18 1,88

Запас Ло(Р+И) 0,74±0,15 1,93±0,19 4,92

Запас органического вещества в Л0 0,62±0,17 2,11±0,36 3,74

Таким образом, выявленные закономерности в изменении лесных фитоценозов позволяют констатировать, что на территории района исследования сукцессии, вызванные воздействием загрязняющих веществ, приводят к возникновению дигрессивно--демутационных ассоциаций в пределах исследуемых типов леса. При этом не наблюдаются более глубокие изменения процессов формирования лесных сообществ (формирование производного типа леса в пределах той или иной лесной формации, формирование производные биогеоценозов иного типа растительности и т.д.).