Экологическое состояние сосновых древостоев в условиях аэротехногенного загрязнения

Актуальность работы. Сохранение лесов и повышение их продуктивности — одно из необходимых условий устойчивого развития человеческого общества в XXI веке. Глобальной проблемой современности является загрязнение лесов в результате различных факторов антропогенного воздействия.

В районе города Братска наблюдается техногенное усыхание сосновых древостоев на протяжении длительного периода, что является следствием деятельности крупных промышленных предприятий. Влияние насекомых-вредителей на процесс отпада древостоев в зонах промышленного загрязнения является фактором естественного отбора в развитии древостоев.

Механизмы влияния стволовых вредителей на естественное развитие древостоев изучены довольно полно, как и возможные последствия их деятельности. Однако влияние кормобинтов на динамку состояния древостоев в зонах промышленного загрязнения требует более детального изучения во всех аспектах его проявления.

Актуальность работы заключается в изучении влияния энтомовредителей на процесс развития сосновых древостоев в районе города Братска, в котором сконцентрированы предприятия, выбрасывающие в атмосферу большое количество вредных веществ.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является установление степени влияния энтомовредителей, как одного из основных факторов естественного отбора в развитии сосновых древостоев г. Братска в условиях аэротехногенного загрязнения.

Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи: 1. Установить степень влияния дымовых и газовых выбросов на лесные экосистемы в зависимости от рельефа и удаленности от источника загрязнения.

2. Установить динамику отмирания сосновых древостоев и состояния естественного возобновления в зонах загрязнения.

3. Установить динамику основных популяционных показателей энтомовредителей сосновых древостоев в зонах загрязнения.

4. Установить причины состояния динамики популяций насекомых-вредителей в зонах загрязнения.

5. Разработать простейшие лесоводственные мероприятия по снижению отрицательного воздействия промвыбросов на лесные ценозы.

Положения, выносимые на защиту.

1. Динамика состояния сосновых древостоев в районе г. Братска.

2. Динамика популяционных показателей кормобионтов семейства Ipidae для разных зон загрязнения.

3. Влияние загрязняющих веществ на состояние и развитие популяционных кормобионтов.

4. Комплекс лесоводственных мероприятий по улучшению состояния насаждений.

Научная новизна работы. Новизна проведенных исследований заключается, в том, что впервые проведены длительные стационарные наблюдения за динамикой популяционных показателей кормобионтов сосновых древостоев в условиях промышленного загрязнения и установлена причина их состояния.

Теоретическая значимость. Результаты работы позволяют более полно раскрыть механизмы толерантности кормобионтов к аэротехногенному загрязнению среды, характеризуют взаимосвязи содержания поллютантов в тканях и органах дерева с активностью размножения кормобионтов сосны в условиях загрязнения фторсодержащими, эмиссиями.

Практическая значимость. Полученные, результаты могут быть использования для расширения мер по улучшению состояния насаждений в зонах загрязнения выбросами алюминиевых производств в районе г. Братска и других городов, имеющих схожий характер загрязнения атмосферы.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на международной научно-практической конференции — Актуальные проблемы лесного комплекса, Брянск 2006, XI Международной научно-практической конференции — Экология и жизнь, Пенза 2006, VIII (XXX) Всероссийской научно-технической конференции — Естественные и инженерные наукиразвитию регионов Сибири Братск 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 1 статья в рецензируемом журнале ВАК, из них 1 статья в рецензируемом журнале ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка используемых источников и приложенияизложена на 184 страницах, включая 35 таблиц и 58 рисунков. Приложение содержит 1 страницу, в том числе 1 таблицу.

Список используемых источников

включает 116 наименований, в том числе 11 — иностранных.

7.4. Выводы.

1. Выявлено, что в зоне слабого загрязнения в хвое и лубе деревьев сосны различных категорий ослабленности наблюдается повышенное содержание загрязняющих веществ, являющихся составными частями выбросов промышленных предприятий. В хвое наблюдается превышение по 8 показателям, в лубе — по всем 10 исследуемым показателям.

2. Установлено, что способны накапливаться в проводящих и запасающих тканях древесного ствола вещества: марганец, медь, алюминий и фтор. Наиболее токсичными из них являются: медь и фтор, поскольку в процессе снижения объемов поступления в организм сосны, они не выводятся из разных частей дерева. Максимально вредным для сосновых древостоев является фтор, так как объемы его накопления превышают содержание всех исследуемых наиболее опасных токсикантов. Накопление фтора в лубе сосны не прекращается при переходе дерева в категорию «усыхающие». Так, содержание фтора в лубе усыхающих деревьев по отношению к его содержанию в здоровых превышено в среднем в 14 раз.

3. По мере накопления загрязняющих веществ в древесине сосны, ее питательная ценность снижается. Уменьшается количество пентозанов на 8−23%, смол и жиров — на 4−8%, и целлюлозы на 1−2%, возрастает содержание лигнина на 7−8%, снижающего пищевую ценность кормового субстрата для кормобионтов, в сравнении содержанием исследуемых веществ в здоровых деревьях.

4. По мере накопления фторидов в лубе сосны, количество монотерпенов предшественников феромонов насекомых снижается в 2,33 раза. Среди них, уменьшается количество и Р-пинена, и А-З-карена являющихся предшественниками феромонов агрегации и размножения соответственно и увеличивается содержание а-пинена — вещества агрегации короедов. При рассмотрении такого показателя, как отношение процентного содержания веществ агрегации от общих монотерпенов к содержанию феромонов размножения в той жеразмерности, как показателя нестабильности условий развития, популяции, установлено, что в разных равнообъемных частях дерева при переходе его в категорию «ослабленные» происходит неравномерное увеличение значения данного показателя. В зоне слабого загрязнения отметке.

0,1 высоты ствола ослабленного дерева, его значение в 33,56 раза превышает принятое за контроль, в отметке 0,3 высоты ствола — в 25,54 раза, а на 0,6 высоты — в 12,4 раза.

5. В мировой литературе существует множество подтверждений, что фтор является инсектицидом кишечно-контактного действия, кроме того, нелетальные его дозы способны влиять на микрофлору кормобионтов, уничтожая бактерии, ответственные за выработку исследуемых феромонов. Поскольку исследование данного вопроса не входит в научное направление работы, можно отметить, что данное явление служит фактором, сопутствующим снижению продукции большого и малого сосновых лубоедов и стенографа.

6. Загрязнение атмосферного воздуха фторидами способно оказывать опосредованное влияние на развитие популяций большого и малого сосновых лубоедов и стенографа снижая их энергию размножения и продукцию посредством накопления в запасающих и проводящих тканях древесного ствола и оказывает негативное воздействие на смоловыделительный аппарат, ингибируя выработку Д-З-карена, являющегося феромоном размножения короедов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Итак, анализируя все сведения и результаты, содержащиеся в главах диссертации можно подвести итоги.

В первой главе дан литературный обзор материалов, освещающих множество вопросов направления исследования. Анализ научных источников позволил выделить основные цели и задачи, задать направление исследования.

Во второй главе рассмотрена характеристика района исследования, описывающая условия произрастания сосновых древостоев в районе г. Братска и условия распространения загрязняющих веществ в зависимости от различных природных и антропогенных факторов. Так, в данной главе описаны начальные условия для рассмотрения состояния исследуемых процессов, как стационарных.

В третьей главе приведена методика исследования, являющаяся комплексом стандартных, широко применяемых и зарекомендовавших себя методик и методов исследования. Так, для раскрытия основного вопроса диссертации использовались: фитопатологическое обследование лесов, исследования в молодняках, энтомологические исследования (анализ короедной модели) и химический анализ содержания загрязняющих, питательных и феромонических веществ в различных органах и тканях дерева для различных зон загрязнения.

Четвертая глава посвящена раскрытию вопроса влияния аэротехногенного загрязнения на популяции Pinus sylvestris L. Основными показателями здесь являются отпад, изменение среднего балла состояния. Отмирание сосновых древостоев, начавшееся с момента запуска первых цехов алюминиевого завода, по сей день продолжается на протяжении почти полувека. Не смотря на то, что в последнее десятилетие увеличение площадей усыхания лесов практически остановилось в значении 10 545 га., прогрессирование деградации происходит за счет постоянного увеличения скорости ухудшения состояния древостоев в зонах сильного, среднего и слабого загрязнения, средний балл состояния насаждений сосны увеличивается на 0,218−0,251 балл/год.

В пятой главе выполнена задача по выявлению вклада естественного возобновления в процесс развития популяций сосны. Абсолютной гибели древостоев не происходит за счет достаточного естественного возобновления — 22,8−37,1 тыс. шт/га., относительно благоприятно протекающего под материнским пологом, принимающим на себя основную долю загрязнения. При этом, средний возраст насаждения в зонах сильного и среднего загрязнения составляет 60−80 лет.

Шестая глава раскрывает характеристику энтомокомплекса лесов вокруг г. Братска, которая является аномальной для зон техногенного загрязнения. Таким образом, изучено влияние насекомых вредителей на процесс развития популяций сосны в исследуемых условиях. Наиболее значимыми видами являются: большой и малый сосновый лубоеды и стенограф. Количество взрослых особей в определенные периоды достигает нормы для здоровых насаждений, что в-несколько раз ниже, чем для ослабленных. В зоне слабого загрязнения на ослабленных деревьях не происходит вспышек численности вредителей, в частности кормобионтов: относительная заселенность Малым и Большим сосновыми лубоедами и Стенографом в среднем за период исследования соответственно составляет 1,8, 0,2 и 0%% для контроля, 0,7, 0,2 и 0,1%% для III зоны загрязнения, 0,4, 0,1 и 0,1%% для II зоны и 0,6, 0,2 и 0,2%% для I зоны. Нормального развития популяции в зонах загрязнения не происходит вследствие низкого показателя продукции и энергии размножения. Продукция достигает нормы, лишь у Малого соснового лубоеда в 2007 г. в зонах сильного и среднего загрязнениями равна-1,77 и 2,33 соответственно.

В .седьмой' главе установлены причины, недостаточного размножения кормобионтов, основной из которых является высокое содержание фторидов в выбросах алюминиевого завода (превышение содержания в среднем до 14 раз), которые различными путями попадая в организм дерева, накапливаются в нем и воздействуют на системы растительного организма, в частности на смоловыделительный аппарат. Это вызывает уменьшение и диспропорцию образования легколетучих изопренов, в данном случае — монотерпенов, которые являются предшественниками феромонов насекомых, отвечающими за их коммуникативную тактику и оценку субстрата как наиболее благоприятного для жизнедеятельности. В зоне слабого загрязнения в отметке 0,1 высоты ствола ослабленного дерева, его значение в 33,56 раза превышает принятое за контроль, в отметке 0,3 высоты ствола — в 25,54 раза, а на 0,6 высоты — в 12,4 раза.

Сопутствующими причинами служат: сниженная пищевая ценность древесины в зоне загрязнения (снижение пентозанов до 23%), повышенное содержание фторидов в лубе (превышение в 14 раз относительно содержания в здоровых деревьях), способное оказывать влияние на микрофлору желудочно-кишечного тракта стволовых насекомых, лишая их возможности к хемокоммуникации.

Основным негативным эффектом сложившейся ситуации служит отсутствие естественных деструкторов сухостойных деревьев, среди них выделено отсутствие одного из основных факторов естественного отбора — недостаточное количество энтомовредителей. Что в свою очередь влияет на ход естественного развития древостоев и дисбаланс продукционно-деструкционных процессов лесных экосистем, подверженных длительному техногенному воздействию.

В условиях аэротехногенного загрязнения лесов г. Братска, как наиболее экологически неблагоприятных проводится. масса мероприятий по нормализации обстановки. В их числе состоят мероприятия по проведению постоянного экологического мониторинга лесов, анализ и прогноз их состояния. Мероприятия по улучшению обстановки так же включают в себя повышение устойчивости насаждений к загрязнениям путем-, подбора газоустойчивого ассортимента растений, барьерного расположения защитных полос в санитарно-защитных зонах предприятия. Проводящиеся мероприятия вносят большой вклад в замедление процессов деградации древостоев. В обзоре научных источников приводятся примеры худших ситуаций динамики лесных экосистем в зонах промышленных загрязнений, в которых на ранних порах не начали проводиться мероприятия по улучшению экологической ситуации.

В современных условиях ведения лесного хозяйства не предусмотрены конкретные задачи восстановления лесов на техногенных территориях, следовательно, данная проблема перекладывается на промышленников, зачастую не готовых к ее решению. К мерам решения данной задачи можно отнести создание условий для восстановительной сукцессии, которая возможна лишь при уменьшении техногенных воздействий, что может повлиять на рентабельность самих предприятий. Кроме того, возможно проведение лесомелиоративних мероприятий: известкование и удобрение почвы, способное уменьшить поступление вредных веществ в деревья через почву, а так же повысить организменную устойчивость к их усвоению. Наиболее эффективным мероприятием является постепенная смена наиболее чувствительных к загрязнениям коренных хвойных пород газоклиматоустойчивым ассортиментом мелколиственных, которые при нормализации экологической ситуации в ходе дигрессивно-демутационных процессов могут вновь смениться хвойными, как в случаях с пожарами. Либо при дальнейшем сохранении современной ситуации возможно образование производных смешанных многоярусных насаждений при переходе экосистемы на новый энергетический уровень.

Таким образом, в древостоях, ослабленных промвыбросами, рекомендуется особый режим лесопользования, направленный на усиления защитных функций леса и повышения устойчивости насаждений. Цель лесовосстановления в техногенных древостоях — создание газоустойчивых лесных насаждений, способных поглощать и нейтрализовать вредные вещества:

Разработаны технологические схемы разработки лесосек при проведении рубок ухода и санитарных рубокпредложены системы разработки лесосек при проведении рубок ухода и санитарных рубокпредложены системы машин оказывающие наименьшее отрицательное воздействие на жизнеустоичивость насаждений.

При выборе пород для лесовосстановления следует учитывать, что для санитарных зон необходимы самые газоустойчивые породы, для I зоныгазоустойчивые лиственные породы.

При организации лесовосстановительных мероприятий особое внимание следует уделять выбору пород деревьев, рекомендуемых для посадки. При выборе пород следует учитывать: зону, в которой предлагается лесовосстановлениегазоустойчивость породусловия местопроизрастания.

В условиях с сильным уровнем загрязнения следует заменить породы на устойчивые к воздействию дымов и газов. В зонах, испытывающих незначительное воздействие атмосферных загрязнителей, можно продолжать выращивать хвойные породы при проведении соответствующих хозяйственных мероприятий: внесение удобренийсоздание опушек и полос из газоустойчивых породиспользование предварительно отобранного растительного материала.

По стойкости к воздействию атмосферных загрязнителей почти все лиственные породы превосходят хвойные породы, однако мягколиственные (береза, осина) не имеют такой ценной древесины как хвойные. Поэтому при возможности следует сохранить в насаждениях ценные хвойные породы. При организации лесовосстановительных мероприятий особое внимание следует уделять выбору пород деревьев, рекомендуемых для посадки. При выборе пород следует учитывать: зону, в которой предлагается лесовосстановлениегазоустойчивость породусловия местопроизрастания.

В условиях с сильным, уровнем загрязнения следует заменить породы на устойчивые к воздействию дымов и газов. В зонах, испытывающих незначительное воздействие атмосферных загрязнителей, можно продолжать выращивание хвойных пород при проведении соответствующих хозяйственных мероприятий: внесение удобренийсоздание опушек из газоустойчивых породиспользование предварительно отобранного растительного материала.

По стойкости к воздействию атмосферных загрязнителей почти все лиственные породы превосходят хвойные породы, однако, мягколиственные (береза, осина) не имеют такой ценной древесины как хвойные. Поэтому при возможности следует сохранить в насаждениях ценные хвойные породы. На основании данных газоустойчивости растений СИФИБР рекомендует при проведении рубок ухода и санитарных рубок в лесах Сибири, подверженных воздействию вредных промвыбросов удалять следующие виды растений: кедр (Pinus sibirica Du Tour), лиственница сибирская (Larix sibirica Ldb.), пихта (Abies sibirica Ldb.), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), смородина черная (Ribes nigrum L.). Эти растения по данным СИФИБРа являются наиболее поражаемыми поллютантами. При рубках допустимо оставлять следующие виды растений: жимолость синяя (Lonicera caerulia L.), рододендрон даурский (Rododendron dahuricum L.), смородина красная (Ribis rubrum L.), спирея (Spiraea chamaedryfolia JL.), черемуха (Padus avium Mill). Эти виды растений слабо поражаются вредными выбросами. И, наконец, к наиболее газоустойчивым, и соответственно, рекомендуем к лесовосстановлению отнесены следующие виды: береза пушистая (Betula pubescens Ehrh), боярышник (Crataegus laevigata), бузина красная (Sambucus racemosa L.), ивы, кизильник (Cotoneaster lucidus Schlecht), ольха кустарниковая (Alnus fruticosa Rupr), роза иглистая (Rosa acicularis Lindl), рябина (Sorbus aucuparia L.), осина (Populus tremula L.). Однако эти рекомендации базируются только на чистых опытных данных и для практического применения требуют дополнительных полевых исследований:

При применении мер по улучшению состояниялесов г. Братска необходимо подробное изучение этих процессов и их последствий, требующее организации на федеральном уровне. Таким образом, необходимо продолжать выполнение уже использующихся мер, таких как проведение постоянного лесопатологического мониторинга, позволяющего контролировать прогресс ухудшения состоянияпроведение рубок ухода, исключающих создание пожароопасных ситуацийсодействие естественному возобновлению коренных пород, гарантируя сохранение исходных эдафических условийподбор не только газоно и климатоустойчивых пород растений, способных существовать в сложившихся условиях и принимающих на себя основную техногенную нагрузку.