Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ИЗМЕНЕНИЕ СТРОЕНИЯ ДРЕВОСТОЕВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ: МОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКОТОПА

Бергман И.Е. 1 Воробейчик Е.Л. 1 Жданова Т.Ю. 1
1 Институт экологии растений и животных УрО РАН
Исследовано распределение деревьев по категориям крупности в районе Карабашского медеплавильного завода в двух контрастно различающихся уровнем атмосферного загрязнения зонах (фоновой и импактной), в каждой зоне – четыре варианта экотопа (сосновый, березовый, пойменный лес, березовая редина). Доля деревьев высоких ступеней толщины (>20 см) в сосновых и березовых древостоях в импактной зоне ниже, чем в фоновой, в поймах ситуация противоположна. Строение березовых редин по зонам загрязнения не различается.
атмосферное загрязнение
древостой
категория крупности
экотоп
медеплавильный завод
1. Анучин Н.П. Лесная таксация. – М.: Лесн. пром-сть, 1982. – 550 с.
2. Борисова О.В. Влияние аэротехногенного загрязнения на хвойные и лиственные древостои в Новгородской обл.: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. – СПб., 2009. – 20 c.
3. Борников А.В. Биологическая продуктивность березы повислой в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного комбината: Дис. ... канд. с.-х. наук. Екатеринбург, 2012. – 123 с.
4. Жанабаева А. С. Влияние выбросов Карабашского медеплавильного комбината на биологическую продуктивность сосны обыкновенной: Дис. … канд. с.-х. наук. Екатеринбург, 2012. – 118 с.
5. Мухачева С.В., Давыдова Ю.А., Кшнясев И.А. Реакция населения мелких млекопитающих на загрязнение среды выбросами медеплавильного производства // Экология. 2010. № 6. – С. 452–458.
6. Мухачева С.В., Давыдова Ю.А., Воробейчик Е.Л. Роль гетерогенности среды в сохранении разнообразия мелких млекопитающих в условиях сильного промышленного загрязнения // ДАН. 2012. Т. 447, №1. С. 106-109.
7. Усольцев В.А., Залесов С.В. Методы определения биологической продуктивности насаждений. Екатеринбург: УГЛТУ, 2005. 147 с.
8. Фимушин Б.С. Закономерности роста сосновых древостоев и методика оценки ущерба, наносимого им промышленными выбросами в условиях пригородной зоны Свердловска: Дис. … канд. с.-х. наук. – Свердловск, 1979. – 169 с.
9. Цветков В.Ф., Цветков И.В. Лес в условиях аэротехногенного загрязнения. Архангельск, 2003. – 354 с.
10. Ярмишко В.Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на европейском Севере. – СПб: БИН РАН, 1997. – 210 с.

Распределение деревьев по размеру – один из наиболее изученных вопросов лесной таксации; оно очень информативно для характеристики жизненного потенциала лесного сообщества – как в статике, так и в динамике [9]. В настоящее время накоплен значительный материал по строению хвойных древостоев в условиях атмосферного загрязнения [9, 8 и др.]. В то же время работы, касающиеся влияния загрязнения на строение лиственных древостоев единичны [2], а для пойменных биотопов – вообще отсутствуют.

Как правило, для изучения функционирования лесных экосистем в условиях промышленного загрязнения выбирают участки со сходными лесорастительными условиями, доминирующими в регионе. Однако в реальности исследуемые территории представляют собой мозаику разнообразных биотопов [6]. Цель настоящей работы – установить насколько различаются перестройки в строении древостоев под действием загрязнения в различных вариантах экотопов. В ходе работы проверяли рабочую гипотезу, заключающуюся в предположении, что строение древостоев (т.е. распределение деревьев по категориям крупности) изменяется однонаправлено (в сторону уменьшения доли деревьев высоких ступеней толщины вблизи источника загрязнения) даже в контрастно различающихся вариантах экотопических условий. Данная гипотеза базируется на хорошо документированных фактах снижения прироста деревьев по диаметру и высоте при увеличении техногенной нагрузки [10 и др.].

Материалы и методы исследования

Исследования выполнены в районе действия Карабашского медеплавильного завода, расположенного в 90 км к северо-западу от Челябинска (Южный Урал) и действующего с 1910 г. – одного из крупнейших в России точечных источников загрязнения среды тяжелыми металлами и сернистым ангидридом. Подробная характеристика района дана в работе [5].

Исследования проводили в 2012 г. на двух участках: с интенсивным техногенным воздействием (импактная зона, 0,5–5 км от завода, обследована площадь около 30 км2) и со слабым загрязнением (фоновая зона, 20–25 км к югу от завода, около 50 км2). В пределах каждого участка выделено по 4 варианта экотопа, различающихся положением в рельефе и характером растительности – типичных для одной зоны и имеющих «аналог» в другой (таблица). В каждом экотопе заложено по три пробные площади (ПП) размером 25х25 м. Для каждой ПП с помощью нивелира рассчитан ее уклон. Кроны деревьев сфотографированы с использованием камеры Sony CyberShot DSC-H5, на каждой ПП фотографии были сделаны в 7–10 случайных точках, высота расположения камеры – 40–50 см от земли; последующая обработка фотографий с расчетом площади проекций крон выполнена в пакете SIAMS Photolab (v.4.0.4.x). На каждой ПП выполнен сплошной перечет деревьев, в который включали особи с диаметром на высоте 1,3 м более 4,5 см; ступень толщины – 1 см. Полученные в результате перечета диаметры деревьев были сгруппированы в интервалы: I – 4,5– 9,5 см; II – 9,5 –14,5 см; III – 14,5–9,5 см; IV – 19,5 – 24,5; V – более 24,5 см. Учет растений нижнего яруса осуществляли на 3–0 миниплощадках (размером 1–25 м2 в зависимости от экотопа) в пределах ПП. Средний диаметр древостоя рассчитан по формуле: Dcp = 100G/(N(π/4))0,5, где G – сумма площадей сечений стволов, м2/га; N – число стволов, экз./га [7]. На основании данных работ [3, 4], а также с использованием высотомера построены зависимости высоты от диаметра и рассчитаны средние высоты (Нср., м). Запас (М, м3/га) рассчитан по формуле Н.П. Анучина [1]: М = 10∑G + 0,4∑G (Hcp – 22).

Статистический анализ выполнен в программах STATISTICA v.8.0. и AtteStat (версия от 24.02.13). Структуру древостоя по категориям крупности анализировали с помощью таблиц сопряженности, для оценки различий использовали критерий χ2 Пирсона. При определении однородности слабонасыщенных таблиц (частоты в некоторых ячейках не превышали 5) использовали диагностику Симонова-Цай, по результатам которой определяли допустимость аппроксимации χ2 Пирсона. Если возникала проблема с аппроксимацией χ2 использовали критерий Фримана-Холтона (расширение точного критерия Фишера). Для сравнения средних использовали критерий Манна-Уитни (учетная единица – ПП).

Таксационная характеристика древостоя в разных вариантах экотопов в фоновой и импактной зонах

Показатель

Экотоп и зона загрязнения

Сосновый лес

Березовый лес

Пойменный лес

Березовая редина

Зона

фоновая

импактная

фоновая

импактная

фоновая

импактная

фоновая

импактная

Растительная ассоциация1

Разнотравно-злаковая

Вейниково-брусничная

Злаково-разнотравная

Мертво-покровная

Будрово-крапивная ольхово-ветловая

Ольхово-ветловая малиново-крапивная

Болотная березово-осоковая

Болотная ивово-

осоково-пушицевая

Уклон ПП,

градусы

3,1±2,0

4,7±0,5

5,1±0,3

5,3±0,4

0,7±0,2

0,4±0,1

0,1±0,1

0,5±0,2

Состав древостоя

9С1Б

ед.Лц.Ряб

10С

ед.Б

9Б1С

ед.Ос

10Б

ед.С

5Ив4Ол1Чер

ед.Б,Бр,Вз,Яб

7Ив2Ол1Б

ед.Чер

10Б

8Б2С

+Ос.ед.Ел

Класс

возраста

V-VII

IV-VII

VII

VII-VIII

III

II-IV

II-IV

II-IX

Dср., см

21,9±1,0

19,6±1,0

24,6±1,3

17,2±2,2

14,7±1,4

19,6±5,6

10,1±1,2

11,9±2,5

Нср., м

21,3±0,6

18,7± 0,8

26,6±0,7

20,8±1,5

14,8±0,1

18,2±3,0

10,4±0,4

10,9± 3,1

N древостоя

экз./га

1014±94

1063±128

773±142

772±115

878±238

321±92

517±201

84±27

N подроста,

тыс. экз./га

110,4±30,3

15,3±1,7

0,3±0,1

7,5±1,9

0,1±0,1

1,2±0,7

14,3±5,2

140,0±57,1

N подлеска,

тыс. экз./га

15,9±4,5

0,2±0,1

10,5±1,4

0,3±0,2

33,0±23,7

1,0±0,3

0,0

0,0

G, м2/га

37,7±2,6

31,3±0,4

35,8±2,5

17,2±2,3

14,0±1,8

8,0±1,9

4,1±1,3

0,8±0,2

Проекция

крон, %

68,2±1,2

58,0±0,6

73,9±0,2

41,3±2,2

73,7±8,6

60,5±9,4

17,9±2,5

7,5±2,5

M, м3/га

367±28

272±7

422±19

166±30

100±13

72±27

22±7

5±2

1Данные предоставлены к.б.н. Золотаревой Н.В. Значимые различия (p<0.05) между зонами загрязнения в пределах варианта экотопа выделены жирным шрифтом.

bergman.tif

Структура древостоя фоновых и импактных территорий в разных экотопах. Римские цифры – категории крупности

Результатыисследования и их обсуждение

Распределение деревьев по категориям крупности связана с зоной нагрузки для соснового (χ2(4) = 21,33, р<0.001), березового (χ2(4) = 83,47, р<0.001), и пойменного (χ2(4) = 11,35, р=0.023) древостоев, но не для березовых редин (χ2(3) = 3,08, р = 0.28) (см. рисунок). Доля деревьев высоких ступеней толщины (>20 см) в сосновых и березовых древостоях в импактной зоне ниже на 17 % и 42 % по сравнению с фоновой. Противоположная ситуация наблюдается в пойменных древостоях, где доля деревьев IV и V категории крупности выше (на 6 %) у завода, чем на фоновой территории.

В подавляющем большинстве работ зарегистрировано уменьшение запаса древостоя по мере увеличения промышленного загрязнения [3, 4, 9 и др.], что хорошо согласуется с полученными нами данными по всем вариантам экотопов (таблица). В сосновых и березовых насаждениях это снижение произошло за счет уменьшения среднего диаметра древостоя при неизменной густоте, тогда как в пойменном лесу и редине – из-за уменьшения густоты, причем средний диаметр не уменьшился, а даже увеличился. Изменение среднего диаметра – это отражение смещений в структуре древостоя (увеличения/уменьшения доли той или иной категории крупности). Различия в реакциях могут быть связаны с разной устойчивостью древостоев к загрязнению в том или ином варианте экотопа. Логично предположить, что в поймах древостой более устойчив к загрязнению как из-за промывного режима, препятствующего накоплению металлов, так и большего плодородия почвы. Кроме того в пойменном лесу под действием загрязнения помимо снижения радиального прироста может интенсифицироваться гибель деревьев молодого поколения; в результате в древостое остаются устойчивые, как правило, крупные деревья высоких возрастов, соответственно средний диаметр древостоя увеличивается. Однако нельзя исключать влияния других факторов – как антропогенного (рекреация, выпас скота, рубки, сенокос), так и естественного (повреждение болезнями и вредителями и т.п.) происхождения, интенсивность которых может быть различна в фоновой и импактной зонах.

Заключение. Исходную гипотезу об уменьшении доли деревьев средних и крупных размеров с увеличением техногенной нагрузки во всех вариантах экотопов следует отвергнуть: это наблюдается в сосновых и березовых древостоях, но не в пойменных лесах и березовых рединах. Хотя сочетание естественных и антропогенных факторов, накладывающихся друг на друга, затрудняет вычленение влияния атмосферного загрязнения на строение древостоя, анализ распределения деревьев по категориям крупности важен для понимания процессов функционирования лесных экосистем в условиях загрязнения.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы Президиума РАН «Живая природа» (проект 12-П-4-1026) и РФФИ (грант 12-05-00811).


Библиографическая ссылка

Бергман И.Е., Воробейчик Е.Л., Жданова Т.Ю. ИЗМЕНЕНИЕ СТРОЕНИЯ ДРЕВОСТОЕВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ: МОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКОТОПА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – № 8-1. – С. 25-27;
URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=3836 (дата обращения: 18.01.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074