Некоторые направления и результаты дендроиндикации состояния лесных экосистем в Центральной лесостепи

некоторые направления и результаты дендроиндикации состояния лесных экосистем в центральной лесостепи

С.М. МАТВЕЕВ, проф. каф. лесоводства ВГЛТА, д-р биол. наук, В.И. ТАРАНКОВ, проф. каф. лесоводства ВГЛТА, д-р биол. наук, В.В. АКУЛОВ, асп. каф. лесоводства ВГЛТА, Е.Е. МЕЛЬНИКОВ, асп. каф. лесоводства ВГЛТА

Дендроиндикация естественной и антропогенной трансформации лесных экосистем базируется на изучении циклической динамики природных процессов (климатических факторов, прироста древостоев) в регионе. Биологическая устойчивость древостоев естественного происхождения, а точнее лесных экосистем, биогеоценозов, главным компонентом которых является древостой, обеспечивается двумя основными характеристиками: циклической динамикой развития (как всех составляющих ее элементов, компонентов, так и связей между ними) и биоразнообразием. Цикличность, стабилизирующая развитие и существование экосистем, в свою очередь определяется циклическими колебаниями внешних факторов (экологических, ге-лиогеофизических).

Параметры устойчивости экосистемы - это всегда диапазон циклических колебаний, а биоразнообразие (перераспределение нагрузки, переключение, дублирование связей) позволяет отдельным элементам и всей системе не выходить из диапазона циклических колебаний. Высокий уровень биологической устойчивости определяет значительно большую жизнеспособность естественных древостоев по сравнению с искусственными.

Оценка состояния насаждения по внешним характеристикам, количеству и видовому составу компонентов фитоценоза дает хороший результат. Но значительно эффективнее индикация состояния, устойчивости, жизнеспособности древостоя и насаждения в целом с учетом изменчивости ежегодного прироста древесины. Дендрохронологичес-кий анализ дает возможность оценить динамику прироста древостоя за весь период его существования, позволяет определить климатически обусловленные изменения ширины годичных колец и выявить степень воздейс-

lisovod@bk.ru

твия неклиматических (в том числе антропогенных) факторов на состояние древостоя. Именно прирост древесины является интегральным показателем состояния деревьев, позволяющим дать объективную оценку и выявить начавшиеся изменения и нарушения в экосистеме на ранней стадии, когда внешние параметры еще заметно не изменились.

Начало дендрохронологическим исследованиям в Центральной лесостепи положили работы С.И. Костина 1940 г. и 19601970-х гг. и М П. Скрябина 1946 г. и 1960-х гг. в Усманском бору Воронежской области. В 1980-е гг. следует отметить исследования Е.В. Дмитриевой в Усманском и Бузулукском борах. Систематические дендрохронологи-ческие исследования начаты на кафедре лесоводства ВГЛТА по инициативе В.И. Таранко-ва в начале 1980-х гг. Достаточно обширные и разносторонние исследования в области ден-дроиндикации лесных экосистем Центральной лесостепи продолжаются и в настоящее время. Кроме того, в 1998 г. С.М. Матвеевым разработана программа и учебно-методическая база новой учебной дисциплины - «Дендрохронология» (лекционный курс - 18 ч. и лабораторные занятия -16 ч.), которая и преподается на 3 курсе лесохозяйственного факультета в течение 10 лет.

За период исследований изучена естественная и антропогенная динамика климата Центральной лесостепи Русской равнины и ее влияние на радиальный прирост сосновых и дубовых древостоев, разработана и апробирована комплексная методика биоиндикации состояния лесных экосистем, включающая лесоводственную оценку состояния всех компонентов лесного биогеоценоза и дендрохро-нологический анализ состояния древостоев, создана база данных: «Дендрохронологичес-кие шкалы ЦЧР» [1], позволяющая решать

научные, хозяйственные и другие задачи. Некоторые направления и результаты проведенных и продолжающихся исследований представлены в данной статье.

Исследованию проблемы воздействия атмосферного загрязнения (в первую очередь выбросов промышленных предприятий) на радиальный прирост деревьев посвящены работы многих ученых как в нашей стране, так и за рубежом. Результаты, полученные разными авторами, совпадают не всегда. Наши исследования, проведенные на 10 пробных площадях в г. Воронеже и г. Липецке (влияние ТЭЦ, горно-обогатительного, каучукового, алюминиевого металлургического производств), позволили установить следующее.

Под влиянием промышленных эмиссий происходит снижение прироста по диаметру и нарушение жизнеспособности древостоев. Наиболее интенсивное падение прироста отмечается в последние десятилетия [2, 3 и др.]. Возможно увеличение среднего радиального прироста древостоев в первые годы после начала воздействия загрязнения атмосферы, на фоне роста амплитуды колебаний прироста. Такое увеличение прироста, как правило, кратковременно и сменяется падением.

В древостоях, подверженных влиянию промышленного загрязнения, появляется большое количество «ложных колец», нарушается цикличность прироста, уменьшается процентное соотношение поздней древесины. Обоснована возможность использования потерь прироста как показателя степени деградации сосновых древостоев. Влияние стационарных источников загрязнения атмосферы (промышленных предприятий) на прирост деревьев наиболее интенсивно на расстоянии 4-6 км. В целом влияние промышленного загрязнения на прирост прослеживается на расстоянии 1215 км от источника выбросов [3, 4].

Результаты исследований позволили разработать принципы зонирования насаждений, подверженных воздействию антропогенных факторов различной интенсивности на разном удалении от источника воздействия, для дифференцированного ведения лесного хозяйства.

В частности, в пригородных и городских насаждениях, подверженных интенсивному

воздействию атмосферных выбросов от стационарных источников (промышленных предприятий и комплексов, ТЭЦ) лесохозяйственные мероприятия следует проводить в соответствии с радиально-зональным принципом: зона сильного атмосферного загрязнения - радиус до 5 км (от источника загрязнения атмосферы). Зона среднего атмосферного загрязнения - радиус от 5 до 15 км. Зона слабого атмосферного загрязнения - радиус свыше 15 км.

Особую актуальность в настоящее время приобрела проблема автотранспортного загрязнения (АТЗ) атмосферы в связи с возрастанием его уровня. Объемы выбросов вредных веществ автотранспортом выходят на первое место и составляют 60 % от общего выброса загрязняющих веществ в атмосферу. Учитывая устойчивый рост экономики в России, можно, к сожалению, прогнозировать только увеличение негативного влияния автотранспорта на окружающую среду и, в частности, на лесные фитоценозы.

Нами изучено влияние выбросов автотранспорта (на 15 п.п.) на сосновые насаждения Воронежской и Белгородской областей с применением оригинальных методик. Установлено, что количественные характеристики прироста интенсивно изменяются только в деградирующих насаждениях. В частности, в г. Воронеже статистически достоверное различие радиального прироста древостоев наблюдается между контролем и наиболее загрязненным насаждением городского парка. Различие между радиальным приростом вдоль автотрассы и контролем можно считать доказанным с 97 % значением вероятности. Очевидно, что в остальных случаях падение радиального прироста еще не достигло критического уровня, подтверждаемого статистическими методами анализа.

Воздействие выбросов автотранспорта на радиальный прирост деревьев выражено следующим образом. При приближении к автотрассе резко возрастает амплитуда колебаний прироста, нарушается его цикличность. В пятиметровой полосе вдоль автотрассы наблюдаются более глубокие и длительные минимумы прироста, снижение среднего прироста. Наиболее заметное снижение прироста отмечено в последние 10-30 лет. У деревь-

ев, растущих вдоль автотрассы, очень велико количество «ложных колец». В то же время нередко истинные кольца из-за очень малого прироста и неконтрастной, слабо выраженной поздней древесины трудно обнаружить. Влияние выбросов автотранспорта прослеживается на расстоянии 50 м от автотрассы [3, 5, 11].

В наших исследованиях [4, 6] выделение зон негативного влияния автотранспорта основывается на ряде фитоиндикационных показателей (в том числе динамике радиального прироста), отражающих изменения в компонентах лесного фитоценоза. Предложенное зонирование автотранспортного воздействия включает выделение трех зон: сильного - до 15 м, среднего - от 15 до 50 м и слабого от 50 до 100 м атмосферного загрязнения. При совместном воздействии автотранспорта и рекреации ширина зоны сильного загрязнения увеличивается до 50 м, среднего - составляет 50-100 м, слабого - свыше 100 м.

В период 1991-2003 гг. изучено влияние рекреации на древостои сосны обыкновенной (на двенадцати пробных площадях) вокруг туристических баз. Отрицательное влияние рекреационного лесопользования на рост деревьев наиболее выражено в нарушении цикличности радиального прироста. Насаждения, находящиеся на первой и второй стадиях рекреационной дигрессии, т.е. практически не затронутые воздействием рекреации, имеют равномерные колебания ширины годичного кольца с четко выраженной цикличностью. Насаждения, подверженные сильной рекреационной нагрузке (третья - пятая стадия дигрессии), слабо и нечетко реагируют на изменения климатических факторов. При интенсивности нагрузки, характерной для четвертой стадии дигрессии, происходит некоторое снижение прироста и нарушение цикличности. При максимальной нагрузке (пятая стадия дигрессии) резко повышается амплитуда колебаний и значительно нарушается цикличность прироста. Рекреационное воздействие в молодняках снижает средний радиальный прирост, а в спелых древостоях значительное снижение прироста наблюдается только в первые годы после начала воздействия, затем он восстанавливается, но серьезно нарушается цикличность радиального прироста [3, 4, 6].

I, % 160 140 120 100 80 60 40 20

_1_

1950

1960

1970

1980 Годы

Рис. 1. Индексы прироста сосновых древостоев на разных (I, III, V) стадиях рекреационной дигрессии

Наиболее простым, наглядным и в то же время достаточно информативным является метод визуального анализа дендрохроно-логических рядов. Исследуются, как правило, графики ширины годичных колец в зависимости от возраста в абсолютных единицах (мм) и в относительных индексах (%). Этот метод позволяет дать оценку общего характера динамики прироста, выявить даты экстремумов, проследить изменения амплитуды и частоты колебаний, выявить цикличность колебаний прироста (рис. 1).

Плавность колебаний прироста древостоя (по частоте), равномерная, без резких перепадов амплитуда колебаний прироста, четко выраженная цикличность прироста - ключевые показатели устойчивости, жизнеспособности древостоя и в целом лесной экосистемы. Интенсивные антропогенные нагрузки приводят к нарушению цикличности, снижению среднего прироста древостоев, т.е. ослабляют устойчивость лесов, снижают их продуктивность.

Радиально-зональный принцип изменения состояния насаждений (на основе теории распространения сукцессионной волны) сохраняется и на территориях, подверженных воздействию рекреации: прилегающих к населенным пунктам, туристическим базам, посещаемым водоемам. Принцип зонирования территории для ведения хозяйства хорошо прослеживается на примере турбаз. Здесь выделяются три зоны: зона сильной (4-5-я стадия) рекреационной дигрессии - радиус до 200 м (от территории застройки турбаз); зона средней (3-я стадия) рекреационной дигрессии - радиус от 200 до 500 м; зона сла-

бой (1-2-я стадия) рекреационной дигрессии - радиус свыше 500 м.

В зависимости от величины населенных пунктов и доступности территории (наличия транспортной сети) радиус выделяемых зон может варьировать. Снижение рекреационной нагрузки вокруг туристических баз и населенных пунктов возможно только за счет вовлечения большей территории под рекреационное лесопользование и улучшения организации имеющейся.

В лесных культурах сосны Усманско-го бора проведено исследование влияния рубок ухода на динамику радиального прироста древостоев [7]. Две пробные площади заложены в лесных культурах, созданных в 1953 г. На этом участке в 1963 г. проводились прочистки, в 1978 и 1990 гг. - прореживания слабой интенсивности (не более 10 %). Еще две пробные площади заложены в лесных культурах, созданных в 1954 г. На данном участке в 1974 и 1985 гг. проводились, соответственно, прочистки и прореживания с объемом выборки 10 м3/га. Рубки ухода в лесных культурах 1954 г., в отличие от лесных культур 1953 г., выполнены в неблагоприятные по климатическим условиям годы.

В результате анализа динамики прироста, выраженного в относительных индексах, выявлено следующее. На всех пробных площадях рубки ухода оказали некоторое положительное влияние на радиальный прирост древесины. При проведении рубок ухода в годы с неблагоприятными климатическими условиями положительное влияние сказывается не сразу, а через 2-3 года, при наступлении благоприятного по климатическим условиям периода.

3

2,5

а '

* 2 н о

о, 1,5

г

А У Иг Л 1 Ф

1 _1 Ц Ы V

а

С 1

0,5 0

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Годы

— Дуб черешчатый — Липа мелколистная

Рис. 2. Динамика среднего радиального прироста дуба черешчатого и липы мелколистной

Дендрохронологический метод использован нами при изучении сукцессионных смен в дубравах Центральной лесостепи [8]. Установлена динамика радиального прироста дуба черешчатого и липы мелколистной в сравнении друг с другом, на фоне солнечной активности и суммы осадков за период апрель-сентябрь. Выявлены тенденции изменения радиального прироста дуба и липы с возрастом. В динамике прироста дуба и липы наблюдается обратная зависимость. В первые десятилетия жизни липы ее прирост в абсолютных показателях примерно равен приросту дуба, но с 1978-1979 гг. начинается расхождение. Ежегодный прирост липы достаточно резко возрастает, прирост дуба начинает значительно снижаться. Очевидно, для дуба снижение прироста связано с естественным уменьшением при увеличении возраста. У липы, напротив, возрастной тренд практически не проявляется. Ярко выражен период интенсивного роста с 1979 г (с 20-25-летнего возраста липы). О высокой конкуренции дуба и липы может свидетельствовать несоответствие экстремумов прироста этих пород.

Дендрохронологические данные использованы нами для моделирования пожароопасных сезонов в Центральной лесостепи [9]. Годы с минимальными индексами прироста годичного кольца совпадают с наиболее засушливыми годами, в которые наблюдалось наибольшее количество пожаров: 1971-1972, 1975, 1984 и 1992. Следовательно, существует связь между динамикой прироста и пожароопасными сезонами. Проведенный анализ показал, что зависимость количества пожаров от ГТК за период 1974-1997 гг. характеризуется высоким коэффициентом корреляции, особенно в суборевых условиях (г = 0,29 - за 132-летний период, г = 0,61 - за 24-летний период для общего прироста; г = 0,34 и г = 0,77 - для поздней древесины). В боровых условиях при тех же тенденциях корреляция несколько ниже (до 0,49), но остается значительной. Следовательно, по ширине годичного кольца можно со значительной достоверностью выявить пожароопасные сезоны. Высокие коэффициенты корреляции индексов прироста и количества лесных пожаров позволили построить математические модели связи исследуемых параметров. Они выражаются уравнениями

у = ехр(7,1564 - 1,5056-х) для ТЛУ А2, у = ехр(7,2664 - 1,6492-х) для ТЛУ В2, где у - количество пожаров;

х - индекс ширины годичного кольца.

То есть зависимость между индексами прироста и количеством пожаров наилучшим образом описывается экспоненциальной функцией.

Математические модели, построенные на основе высоких корреляционных зависимостей, позволяют использовать радиальный прирост сосновых древостоев (выраженный в индексах) в качестве интегрального показателя метеоусловий для реконструкции и прогнозирования наиболее пожароопасных сезонов.

Дендрохронологические методы успешно применяются для оценки влияния динамики водного режима на древостой. Наши исследования проведены в 2003-2004 гг. на трех пробных площадях, заложенных на разном удалении от Воронежского водохранилища - 35, 245, 20 м соответственно. Водохранилище создано в 1972 г.

Состояние всех обследованных дре-востоев плохое, древостои ослаблены и подвержены воздействию фито- и энтомовреди-телей: суммарное воздействие подтопления и рекреации привело к значительному ухудшению состояния древостоев. По данным В.Г. Шаталова [10], в первые пять лет в зоне подтопления наблюдалось угнетение и усыхание сосняков. Повышение уровня грунтовых вод привело к постоянному затоплению корневой системы и последующему отмиранию. Молодые культуры более пластичны и легче приспосабливаются к новым экологическим условиям, но по мере освоения корнями дренированного почвенного слоя наступает диспропорция в росте и их угнетение.

В результате проведенного нами ден-дрохронологического анализа выявлено увеличение прироста в 1972-1974 гг. на всех трех пробных площадях, что, безусловно, является следствием создания водохранилища. На пробных площадях наблюдается повышение прироста непосредственно в год создания водохранилища (1972 г.), хотя и была сильнейшая засуха в следующем 1973 г. (год был благоприятен для роста деревьев). На пробной площади, расположенной в 245 м

от водохранилища, повышение прироста произошло в 1973 и 1974 гг. Сравнительно большой прирост сохранился в обследованных древостоях до 1978-1980 гг. благодаря наблюдавшемуся в регионе благоприятному климатическому периоду. После 1980 г. влияние водохранилища на повышении прироста сосны не сказывается.

Между приростом древостоев и суммой осадков за календарный год выявлена достоверная умеренная прямолинейная корреляция (г = 0,4). Достоверной связи с солнечной активностью не выявлено. Между приростом древостоев на пробных площадях выявлена значительная или умеренная связь.

Циклическая динамика климатических изменений (температуры, влажности, количества атмосферных осадков, засух, повторяемости циклонов и антициклонов) обязательно должна учитываться при проектировании тех или иных лесохозяйственных мероприятий. Безусловно, следует учитывать и циклическую динамику продуктивности древостоев. Изменение темпов радиального и объемного прироста (с определенной периодичностью) дает вариации в десятки процентов (от 60-80 % до 160-180 %), что значительно меняет реальную картину результатов воздействия лесохозяйс-твенных мероприятий. В лесах зеленых зон складываются особенно неблагоприятные экологические условия для лесных насаждений, и лесохозяйственные мероприятия должны учитывать интенсивность воздействия различных антропогенных факторов.

В настоящее время продолжаются исследовательские работы по фитоиндикации состояния, устойчивости, динамики прироста сосновых и дубовых древостоев Центральной лесостепи, подверженных воздействию антропогенных факторов на фоне изменяющихся климатических условий.

Основными задачами наших исследований являются:

- мониторинг реакции древостоев на внешние воздействия различной интенсивности, прогноз динамики их состояния;

- целевое зонирование территории и картирование ситуации (создание картографической базы зон различной интенсивности антропогенного воздействия на лесные

экосистемы региона) для обеспечения возможности дифференцированного ведения хозяйства по выделенным зонам, регулирования лесохозяйственными мерами состояния и защитных функций насаждений;

- оценка и прогноз динамики климата в регионе с использованием дендроклимати-ческих данных.

Необходимость переоценки приоритетов и повышения внимания к оценке экологических функций и состояния лесов уже не вызывает сомнений не только у специалистов лесного хозяйства, но и у большей части населения планеты. Тематическое картографирование, на основе зонирования лесов по отношению к антропогенным воздействиям, позволит использовать результаты исследований и картографические материалы как для решения практических задач лесного хозяйства, так и при мониторинге лесов для изучения, оценки и контроля состояния лесного фонда.

Библиографический список

1. Матвеев, С.М. Дендрохронологические шкалы Центрально-Черноземного региона (ЦЧР) / С.М. Матвеев, Ю.А. Нестеров. - ВГЛТА, ВГУ - Регистр. св-во № 9003 от 27.02.2004 /vglta.vm.ru

2. Таранков, В.И. Радиальный прирост древостоев сосны обыкновенной в зоне действия промышленного загрязнения / В.И. Таранков, С.М. Матвеев // Лесной журнал. - 1994.- № 4.- С. 47-51.

3. Матвеев, С.М. Биоиндикация антропогенных изменений в сосновых насаждениях ЦЧР: дис. ... канд. с.-х. наук: 03.00.16 / С.М. Матвеев. - Воронеж, 1994. - 227 с.

4. Матвеев, С.М. Дендроиндикация динамики состояния сосновых насаждений Центральной лесосте-

пи: монография / С.М. Матвеев. - Воронеж: ВГУ, 2003. - 272 с.

5. Таранков, В.И. О влиянии автотранспортного загрязнения на сосновые насаждения зеленой зоны г. Воронежа / В.И. Таранков, С.М. Матвеев.- М., 1992.- 8 с. Деп. в ВИНИТИ 10.06.92, N 910-лх 92.

6. Матвеев, С.М. О влиянии выбросов автотранспорта на сосновые насаждения Белгорода / С.М. Матвеев, В.В. Акулов // Охрана окружающей среды на территории муниципальных образований: Материалы межрегиональной научно-практической конф., 30 мая 2006 г., - Воронеж: ООО «Кривичи».

- 2006. - С. 172-175.

7. Мамонов, Д.Н. О влиянии рубок ухода на радиальный прирост стволовой древесины сосны обыкновенной / Д.Н. Мамонов, С.М. Матвеев // Динамика лесистости в малолесных районах европейской части России. Проблемы и перспективы: Материалы Всероссийской научно-технической конф., 24-25 октября 2002 г. - Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн. академия 2003. - С. 85 - 86.

8. Мельников, Е.Е. Использование дендрохроно-логического метода для оценки сукцессионных изменений в дубравах Центральной лесостепи / Е.Е. Мельников, С.М. Матвеев // Дендроэкология и лесоведение: Материалы всероссийской конф.

- Красноярск: Ин-т леса им. Сукачева СО РАН, 2007. - С. 84-87.

9. Матвеев, С.М. Дендроклиматическое исследование сосняков Усманского бора и моделирование пожароопасных сезонов / С.М. Матвеев, В.В. Чеботарев // Лесной журнал. - 2002. - № 2. - С. 36-41.

10. Шаталов, В.Г. Влияние водохранилища на прибрежные лесные фитоценозы / В.Г. Шаталов // Лесные биогеоценозы зеленой зоны г. Воронежа и берегов Воронежского водохранилища. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1985. - С. 44-51.

11. Matvejev, S.M. Dendrohronological studies of technogenic changes in pine forests of the Voronezh region. / S.M. Matvejev // Scienta agriculturae Bohemica. - 1998. - № 29. - S. 65-73.