Климатогенная и антропогенная динамика древесной растительности в экстремальных условиях ее произрастания (на примере Урала)

Актуальность темы

Глобальное и региональные изменения климата и усиливающееся аэропромышленное загрязнение, обуславливает актуальность исследований климатогенной и антропогенной динамики древесной растительности (ДР) и объясняет большое количество работ, посвященных этим направлениям научных исследований (Dale et. al., 2000; Hanson, Weltzin, 2000; Шиятов и др., 2002; Изменение климата: обобщ. докл., 2003; Percy, Ferretti, 2004; Smidt, Herman, 2004; Изменение климата: обзор состояния., 2005; Израэль, 2005; Монин, Сонечкин, 2005; Beringer et. al., 2005; Kang et. al., 2006; Израэль и др., 2007; Kullman, 2007; Soja et. al., 2007; Дюкарев, Пологова, 2008; Оценочный доклад., 2008; Bytnerowicz et. al., 2007; Jacob, Winner, 2009; Paoletti et. al., 2010). Дальнейший рост народонаселения, развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства и экстенсивное лесопользование будут приводить к усилению антропогенного воздействия на окружающую среду, включая изменения климата. Поэтому исследование климатогенной динамики высокогорной древесной растительности в районах с низким уровнем антропогенной нагрузки и экстремальными климатическими условиями, а также ДР, произрастающей в условиях среднегорий и низкогорий в районах с высоким уровнем антропогенной нагрузки, включая загрязнения атмосферы промышленными выбросами являются актуальными.

Несмотря на достаточно большое количество обобщающих публикаций и работ по математическому моделированию климата, диффузии и переносу аэропромышленных загрязнений, а также пространственно-временной динамики растительности, до сих пор отсутствует единый методологический подход, позволяющий рассматривать взаимное влияние аэропромышленных загрязнений, климата и древесной растительности на разных временных и пространственных масштабах. Проведение такого рода исследований еще более усложняется из-за трудоемкости получения достаточного объема количественных данных, математической формализации описаний сложных биологических систем и процессов, протекающих в них. Следует также отметить, что очень часто проблема усугубляется сложностью получения необходимого объема достоверных данных о загрязнения окружающей среды и метеоданных суточного разрешения для больших территорий и на длительных временных интервалах. Это может быть обусловлено организационно-бюрократическими причинами, высокой стоимостью данных, чрезвычайной трудоемкостью или невозможностью их самостоятельного сбора на больших территориях в течение длительного времени. Одной из важнейших задач при з изучении воздействия на древесную растительность естественных и антропогенных факторов является разработка подходов и методов объективной количественной оценки состояния древесной растительности иизменения значений параметров ее местоположения в пространстве. Такая постановка задачи требует изучения древесной растительности как на уровне организма, 9 так и на надорганизменных уровнях организации сложных биологических систем.

Проведение фундаментального исследования динамики древесной растительности в экстремальных условиях ее произрастания на разных временных и пространственных масштабах, интегрирующего в рамках единого подхода методы широкого спектра научных дисциплин, является актуальным. В настоящей работе приведены результаты такого исследования.

Цель и задачи исследований.

Цель работы — исследование динамики древесной растительности в экстремальных условиях ее произрастания во второй половине XX века (на примере Урала) на разных временных и пространственных масштабах. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать методологический подход и комплекс количественных методов анализа динамики древесной растительности, произрастающей в условиях изменения климата и антропогенных воздействий.

2. Исследовать влияние особенностей мезоклимата на микроклимат лесных биогеоценозов, находящихся в зонах с разными уровнями атмосферного загрязнения медеплавильного производства, а также изучить особенности ростовых и физиологических процессов сосны обыкновенной (Pinns sylvestris L.) в этих условиях.

3. Изучить пространственные закономерности изменения состояния древостоев, произрастающих в условиях горного рельефа под воздействием.

10 атмосферных загрязнений медеплавильного производства.

4. Исследовать пространственно-временную динамику климата Уральского региона и древесной растительности в высокогорьях Урала во второй половине XX в.

Научная новизна и теоретическая значимость работы Разработан методологический подход к анализу динамики древесной растительности на разных пространственных и временных масштабах на основе парадигмы исследования сложных биологических систем (Бейтсон, 1.

2007). Работа продолжает и развивает достижения в области изучения влияния на древесную растительность естественных и антропогенных факторов (Шавнин и др., 1988, 1993; Шиятов, 2002; БИуаЬу, 1993; БЬаушп е! а1., 1997; 81шушп, 1999). В рамках данного подхода разработан комплекс методов количественной оценки состояния древостоев, смещения границ растительных рубежей и экологического зонирования территорий.

Ниже приведены новые и впервые проведенные исследования.

1. Изучены особенности преобразования световой энергии фотосинтетического аппарата хвои сосны обыкновенной, сформировавшейся в условиях с разными уровнями атмосферного загрязнения и освещенности.

2. Проведены сравнительные исследования сезонной динамики физиологических характеристик хвои сосны обыкновенной в зонах с разными уровнями аэропромышленного загрязнения в конце XX и начале XXI вв.

3. Исследованы отдельные аспекты взаимодействия климата и.

11 аэропромышленных загрязнений, а также изучена взаимосвязь значений характеристик мезоклимата исследуемой территории и микроклимата лесных насаждений.

4. Созданы картографические модели высокого пространственного разрешения, характеризующие изменение значений характеристик климата в пространстве и времени, для высокогорий Уральского региона (с учетом I рельефа) во второй половине XX в.

5. Созданы серии разновременных тематических карт с границами редколесий и сомкнутых лесов на горных массивах Полярного, Северного и Южного Урала.

6. Проведен количественный анализ вертикального и горизонтального сдвигов границ редколесий и сомкнутых лесов в экотоне верхней границы древесной растительности в высокогорьях Урала во второй половине XX в. и произведена оценка скорости сдвигов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Реакции фотосинтетического аппарата хвои сосны на действие аэропромышленных загрязнений и затенения, выражающиеся в снижении квантовой эффективности преобразования световой энергии и скорости нециклического электронного транспорта, а также увеличении диссипации световой энергии при высоких уровнях освещенности, являются неспецифическими. Снижение эффективности преобразования световой энергии, вызванное действием загрязнений и затенения, определяется общим.

12 механизмом энергообмена в хлоропластах.

2. В условиях атмосферного загрязнения наблюдается снижение амплитуды суточных колебаний температуры, а выпадение осадков способствует увеличению концентрации взвешенных веществ в приземном слое воздуха. Высокий уровень загрязнений атмосферы промышленными 1 I выбросами, приводящий к снижению густоты древостоев и сомкнутости крон деревьев, сопровождается существенным изменением микроклиматических условий, которые приводят к задержке начала возрастания ассимиляционной активности деревьев в весенний период по сравнению с деревьями, произрастающими в зоне с фоновым уровнем загрязнения. Особенности.

1 мезоклимата, влияющие на микроклимат лесного биогеоценоза, могут способствовать усилению негативного воздействия аэропромышленных загрязнений на рост деревьев и структуру древостоев.

3. Геостатистические модели адекватно описывают пространственные закономерности изменения интегральных параметров состояния древостоев в условиях загрязнения атмосферы промышленными выбросами крупного медеплавильного производства. Градиент изменения значений интегральных параметров, расположение, размер, и конфигурация зон с различным состоянием древостоев в значительной степени определяются особенностями взаимного расположения основного источника аэропромвыбросов и элементов макрорельефа района исследований.

4. Экспресс-метод автоматизированной оценки состояния деревьев по.

13 х цифровым изображениям их крон позволяет повысить объективность и точность визуальной оценки степени угнетения деревьев в условиях негативного действия одного или нескольких экологических факторов. Разработанный метод выявления уязвимых сторон и недостатков методик измерений (МИ), основанных на использовании систем автоматизированного анализа изображений является универсальным и может быть использован при исследовании МИ по изображениям объектов, полученным на макрои микроуровнях.

5. Картографические модели пространственного распределения значений температуры воздуха, полученные с использованием мультивариантных методов и растрового моделирования в ГИС, позволяют адекватно оценивать распределение значений данного климатического показателя в пространстве. Метод количественной оценки значений вертикального и горизонтального сдвигов границ позволяет проводить анализ пространственно-временной динамики древесной растительности и оценивать скорость смещения растительных рубежей.

6. Во второй половине XX века произошел подъем границы редколесий и сомкнутых лесов в экотоне верхней границы древесной растительности.

ЭВГДР) на горных массивах Полярного, Северного и Южного Урала. Он происходил в условиях потепления и увлажнения климата Уральского региона.

Значения скорости вертикального сдвига редколесий и сомкнутых лесов на.

Полярном, Северном и Южном Урале во второй половине XX в. находятся в.

14 диапазонах 5−9 и 3−10 м за десятилетие соответственно. Скорость сдвига границ в значительной степени определялась не величиной потепления, а сочетанием комплекса экологических факторов, биологическими особенностями видов древесных растений, произрастающих в ЭВГДР, а также обеспеченностью семенами горно-тундровых участков, расположенных в верхней части экотона.

Практическая значимость работы.

Создана система экологического мониторинга лесов на территории, прилегающей к Среднеуральскому медеплавильному заводу. Карты-схемы состояния сосновых древостоев в данном районе, созданные с помощью специально разработанных методов комплексной оценки состояния древостоев и экологического зонирования, были использованы Свердловской лесоустроительной экспедицией при проведении лесоустроительных работ Уральского учебно-опытного лесхоза.

Разработанные карты-схемы имеют практическое значение для оценки состояния лесов в районе исследования с целью дифференциации ведения в них лесного хозяйства. Разработанная технология сбора, обработки данных и экологического зонирования территории может быть использована при диагностике состояния деревьев и экологическом мониторинге лесных насаждений в других регионах РФ. Метод оценки состояния деревьев по цифровым фотографиям их крон может быть использован при проведении экспресс-оценки санитарного состояния лесов и создании системы.

15 экологического фотомониторинга древостоев, находящихся в условиях загрязнения атмосферы промышленными выбросами. Метод выявления уязвимых сторон и недостатков методик измерений (МИ), основанный на использовании систем автоматизированного анализа изображений, является универсальным и может быть использован при исследовании биологических объектов по" изображениям, — полученным с использованием макрои микросъемки. Созданные в ходе работы геоинформационные базы данных, содержащие информацию о местоположении и структуре растительных сообществ высокогорий < Урала являются важным элементом системы экологического мониторинга состояния высокогорной растительности Уральского региона.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы были' представлены на 23 научных конференциях, совещаниях и семинарах, включая следующие: международная конференция «Measurement and Modeling in.

Environmental Pollution" (Мадрид, 1997) — седьмой международный конгресс по экологии (Florence, Italy, 1998), первый международный симпозиум по загрязнению окружающей среды «Issues in environmental pollution 98» (Denver,.

Colorado, USA, 1998), международная конференция «Экология таежных лесов».

Сыктывкар, 1998), международная научно-техническая конференция.

Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса".

Екатеринбург, 2001), французско-российский научный семинар (Екатеринбург,.

2001, 2003), международная конференция «Физиология растений — основа.

16 г фитобиотехнологии" (Пенза, 2003), международная конференция «Climate Changes and Their Impact on the Boreal and Temperate Forest» (Екатеринбург, 2006), всероссийская научная конференция с международным участием «Новые методы в дендроэкологии» (Иркутск, 2007).

Публикация результатов исследований. По результатам исследований опубликована 51 научная работа, включая три монографии, 14 статей в научных журналах, рекомендуемых перечнем ВАК, и 10 статей в журналах и сборниках.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка цитируемой литературы и 11 приложений, изложена на 310 страницах машинописного текста, включает 14 таблиц, и 46 рисунков.

Список литературы

содержит 430 наименований, в том числе 108 иностранных.