Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Сосновые экосистемы в условиях аэротехногенного загрязнения, их сохранение и реабилитация

06.03.03 - Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Мартынюк А.А.

Москва

2009

Диссертация выполнена в Федеральном государственном учреждении

«Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства»

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Обыденников Виктор Иванович

доктор биологических наук,

профессор Николаевский

Владимир Серафимович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Цветков Василий

Фролович

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный лесотехнический университет»

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Проблема промышленных эмиссий и повышения устойчивости лесов к техногенному загрязнению является чрезвычайно важной в контексте глобальной и локальной экологической политики. Ослабление лесов вокруг промышленных центров, возникшее в 80-90-х годах прошлого века, отмечается по настоящее время, а среднемноголетняя ежегодная гибель лесов от промышленных выбросов в России составляет около 20 тыс. га (5,7 % от общего усыхания насаждений). Общая площадь лесов в нашей стране, подверженных воздействию промышленных выбросов, достигает 1,3 млн. га, из них доля насаждений с необратимыми и сильными повреждениями составляет 15-20 % [Гитарский, 2007]. При этом площадь ареалов техногенно-загрязненных земель вокруг промышленных объектов отмечается на территории всех федеральных округов и составляет около 18 млн. га [Большаков, 2006, О состоянии…, 2006].

В настоящее время в лесном отечественном законодательстве обращено внимание на проблемы загрязнения лесов (статья 51 Лесного кодекса Российской Федерации предусматривает охрану лесов от загрязнения; статья 55 - проведение санитарно-оздоровительных мероприятий, включая «очистку лесов от загрязнения»). Решение вопросов, связанных с предупреждением повреждения лесов техногенными загрязнениями и их реабилитацией, включено в состав подзаконных актов, регламентирующих разработку лесных планов субъекта Российской Федерации, инвентаризации и мониторинга лесов. В связи с этим, актуальны исследования по выявлению закономерностей влияния химических веществ на лесные экосистемы, развитию методов диагностики и комплексного мониторинга лесов при различных видах техногенного воздействия, научному обоснованию системы комплексных мероприятий по повышению устойчивости лесов в условиях техногенеза, взаимоувязанной с формирующимися новыми отношениями в лесном хозяйстве.

Цель и задачи исследований. Цель исследований состояла в разработке научно обоснованной системы мероприятий по сохранению, повышению устойчивости и реабилитации поврежденных промышленными выбросами сосновых лесов с учетом закономерностей процесса загрязнения и динамики экосистем в условиях аэротехногенного воздействия различной интенсивности.

Достижение поставленной цели осуществлялось решением следующих задач:

установить основные закономерности процесса загрязнения лесных экосистем промышленными выбросами;

исследовать реакции деревьев и древостоев сосны на действие выбросов и обосновать методологию оценки состояния сосняков в условиях промышленного загрязнения среды;

установить закономерности пространственного изменения сосновых насаждений под влиянием выбросов, разработать технологию наземного обследования и зонирования лесов по степени их ослабления;

изучить особенности роста и производительности сосновых насаждений, строения и формирования их надземной фитомассы и годичной продукции в условиях воздействия промышленных выбросов;

дать оценку сукцессионной динамике сосняков и изменению их восстановительного потенциала под действием промышленного загрязнения;

разработать основные принципы экологического нормирования аэротехногенного воздействия на леса и методологические подходы к определению допустимого уровня загрязнения атмосферы и почв лесных насаждений, а также техногенных выпадений на лесные экосистемы;

изучить влияние кислотных осадков на сосновые экосистемы и установить величины предельно допустимых нагрузок кислотообразующих соединений серы и азота для сосняков зоны хвойно-широколиственных лесов;

провести анализ и обобщить результаты собственных и привлеченных научных исследований для совершенствования лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение устойчивости и реабилитацию насаждений в очагах поражения лесов промышленными выбросами.

Научная новизна. Установлены закономерности полиэлементного загрязнения сосновых экосистем вокруг источников промышленных выбросов.

Выявлены особенности реакции ассимиляционных органов сосны на загрязнение, обоснованы критерии и методика оценки состояния сосняков, подверженных воздействию промышленных выбросов. Разработаны теоретические основы и система комплексного мониторинга лесов в условиях воздействия выбросов, сформулировано понятие очагов поражения лесов выбросами и создана их оригинальная классификация.

Установлены закономерности изменения роста деревьев, динамики таксационных показателей древостоев, формирования их надземной фитомассы, ее фракционного состава и годичной продукции под влиянием промышленного загрязнения.

Разработаны основные принципы и методология экологического нормирования аэротехногенного воздействия на леса, включая нормирование загрязнения атмосферного воздуха и лесных почв, воздействия кислотных осадков, техногенных выпадений в лесных экосистемах.

Предложены общая стратегия и основные принципы системы ведения лесного хозяйства в различных типах очагов поражения сосновых насаждений промышленными выбросами, обеспечивающие повышение устойчивости и реабилитацию ослабленных лесов.

Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Результаты исследований автора использованы при: обследовании и оценке ослабленных промышленными выбросами насаждений и комплексном мониторинге лесов в Московской, Нижегородской, Новгородской областях и музее-заповеднике Л.Н. Толстого «Ясная Поляна»; разработке проектов организации лесного хозяйства в Дзержинском лесхозе и лесхозе ЗАТО «Арзамас-16»; оценке воздействия промышленных объектов на леса (карьеров по добыче фосфоритов в Воскресенском районе Московской обл., реконструкции цеха целлюлозы Братского ЛПК, Новгородской ГРЭС, Московского коксогазового завода, полигонов фосфогипса Воскресенского комбината минеральных удобрений); разработке экологических паспортов Воскресенского и Егорьевского районов Московской обл., рабочих проектов по лесобиологической рекультивации полигонов фосфогипса и отходов производства асбоцементного комбината г. Воскресенска Московской обл.; эколого-геохимической оценке загрязнения г. Дзержинска Нижегородской обл. и прилегающих территорий; внедрении технологии лесобиологической рекультивации полигонов фосфогипса в Воскресенском районе Московской обл. (патент РФ № 2186474, зарегистрирован в госреестре изобретений Российской Федерации 10.08.2002 г.).

Материалы диссертации использованы также при подготовке 8 нормативных технических документов, одобренных секциями НТС министерств и ведомств; материалов к ежегодным государственным докладам МПР России «О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации», экспертных заключений по переводу лесных земель в нелесные.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов подтверждается анализом многолетних репрезентативных данных, полученных с использованием научно-обоснованных методик исследований и апробированного приборного оборудования; применением современных математических методов, компьютерных технологий и пакетов прикладных программ обработки экспериментального материала, опытно-производственной проверкой полученных результатов и разработанных регламентирующих документов.

Личный вклад автора в полученные результаты. В основу диссертационной работы положены результаты 25-летних исследований, выполненных во ВНИИЛМ в составе научной тематики Гослесхоза СССР, Госкомлеса СССР, Рослесхоза, МПР России, Минпромнауки России лично автором, с его непосредственным участием или под его научным руководством. В качестве научного руководителя и ответственного исполнителя работ автор самостоятельно осуществлял постановку целей и задач исследований, выбор объектов, разработку программы и методики, обобщение, анализ и интерпретацию результатов исследований.

На защиту выносятся:

- методы оценки уровня аэрального загрязнения лесов с использованием показателя дозовой нагрузки, вычисляемого как произведение измеренной подфакельной концентрации токсиканта и продолжительности ветров, дующих от источника выбросов в точку измерения, а также суммарного показателя загрязнения, определяемого в снеговом покрове или лесной подстилке;

- закономерности трансформации загрязняющих веществ и изменения уровней техногенных нагрузок в лесных экосистемах;

- комплекс показателей для оценки степени ослабления сосновых насаждений промышленными выбросами и методика их применения;

- направленность обменных процессов у деревьев сосны на поддержание работоспособности фотосинтезирующих органов в ущерб приросту древесины как общая защитная реакция на аэротехногенное воздействие;

- теоретически и экспериментально обоснованная система мероприятий по сохранению и реабилитации лесов в условиях аэротехногенного загрязнения;

- принципы экологического нормирования аэротехногенного воздействия на лесные экосистемы, предусматривающие необходимость учета реакции наиболее чувствительных видов лесных растений или сообществ в естественных условиях местопроизрастания, зонально- типологических особенностей реакции лесов, изменчивости загрязнения атмосферы вокруг источника выбросов и их многокомпонентного состава.

Апробация работы. Основные теоретические положения работы и результаты исследований опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, монографиях автора и докладывались на научно-технических конференциях молодых ученых ВНИИЛМ (1983, 1984, 1985, 1986), совещании «Влияние промышленного загрязнения на лесные экосистемы и мероприятия по повышению их устойчивости» (Литва, Каунас, 1984), научной конференции «Мониторинг лесных экосистем» (Литва, Каунас, 1986), международной конференции «Повреждение и восстановление лесов: глобальные и региональные последствия» (Польша, Краков, 1987), конференции «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (Мытищи, МГУЛ, 1987), международной конференции «Ecological monitoring in forestry» (Усти над Лабой, ИЮФРО, 1989), всесоюзной научной конференции «Растения и промышленная среда» (Днепропетровск, 1990), 2-й всесоюзной научной конференции «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (Мытищи, МГУЛ, 1990), совещании «Леса Русской равнины» (Москва, МИЛ РАН, 1993), научно-технической конференции «Охрана лесной экосистемы и рациональное использование лесных ресурсов» (Мытищи, МГУЛ, 1994), всероссийской конференции «Антропогенное изменение почв Севера в индустриально развитых регионах» (Апатиты, Кольский НЦ РАН, 1995), международной научной конференции к 285-летию со дня рождения М. В. Ломоносова (Архангельск, Архангельский центр РГО РАН,1996), международной научной конференции «Влияние атмосферного загрязнения, антропогенных и других природных факторов на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Европы» (Мытищи, МГУЛ, 1996), всероссийском совещании «Устойчивое управление лесами и сохранение биологического разнообразия» (Пушкино, ВНИИЛМ, 1997), научной конференции «Лесная наука на рубеже ХХI века» (Беларусь, Гомель, Институт леса Беларуси, 1997), научной конференции «Проблемы лесоведения и лесоводства» (Беларусь, Гомель, Институт леса Беларуси, 2001), международной научной конференции «Мониторинг и состояние лесных и урбоэкосистем» (Мытищи, МГУЛ, 2002), международной конференции «Forests in transition II: Challenges in Strengthening of Capacities for Forest Policy Development in Countries with Economies in Transition» (Сербия и Черногория, Белград, 2004), I-м конгрессе защиты растений «Environmental concern and food safety» (Македония, Охрид, 2005), международной конференции «Biological methods in Integrated Plant Protection and Production» (Польша, Познань, 2006); заседаниях подсекции по защите леса НТС Госкомлеса СССР (1987-1990) и Рослесхоза (1992-2001). Система мероприятий по сохранению, повышению устойчивости и реабилитации лесов к промышленному загрязнению экспонировалась на международной выставке «Леспромбизнес - 2001» (Москва), выставках к коллегии МПР России (Москва, 2003), встрече Президента Российской Федерации с работниками лесного комплекса (Сыктывкар, 2006). Разработки в области экологического нормирования техногенного воздействия на леса удостоены диплома 8-й Международной специализированной выставки-ярмарки лесопродукции, машин, оборудования и материалов для лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности (Москва, 2006 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 67 научных работ, в том числе 3 монографии, 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертаций, 1 учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 399 наименований, в том числе 64 иностранных. Работа изложена на 380 стр., иллюстрирована 93 таблицами и 46 рисунками, имеет 2 приложения на 16 страницах.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЕКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ

Многочисленные работы по изучению воздействия загрязнителей на лесные экосистемы и ландшафты, включая накопление, миграцию и трансформацию токсикантов различными компонентами экосистем, изменение лесорастительных условий, видового состава, строения, роста, продуктивности и состояния лесных сообществ под влиянием загрязнения [Глазовская, 1964, 1988; Дончева, 1978; Добровольский, 1978; Кулагин, 1980; Алексеев, Дочинжер, 1981; Смит, 1985; Влияние промышленного.., 1990; Лукина, Никонов, 1991, 1993,1998; Соколова, Дронова, 1993; Ворон, Стельмахова, Коваль, 2000; Цветков, Цветков, 2003 и др.] позволили сформировать научные подходы к оценке динамики состояния лесов при аэротехногенном загрязнении, их естественного восстановительного потенциала, прогнозу возможной смены пород и последствий техногенной деградации лесных сообществ.

При изучении разносторонних эффектов влияния загрязняющих веществ техногенного происхождения на растительные организмы и сообщества были установлены механизмы их воздействия на растения, разработаны многие аспекты теории газоустойчивости растений и научно обоснованные ассортименты древесных и кустарниковых пород, устойчивых к фитотоксикантам [Красинский, 1950; Негруцкая, 1970; Илькун, 1971, 1978; Кулагин, 1974, 1980; Тарабрин, 1974; Добровольский, 1978; Николаевский, 1979; Антипов, 1979; Ботпанаева, 1981; Барахтенова, 1988; Рожков, Михайлова, 1989; Гетко, 1989; Бабушкина и др., 1993; Кравкина, 1993; Тарбаева, Ладанова, 1994; Сергейчик, 2001; Чернышенко, 2001; Kozlovski, Constantinidou, 1986 и др.].

Создана теоретическая база практических рекомендации по биодиагностике уровней загрязнения среды, оценки состояния лесных экосистем в условиях техногенеза, комплексного мониторинга лесов и картирования загрязненных территорий [Дончева, 1978; Гудериан, 1979; Григорьева, Новикова, 1980; Кулагин, 1980; Алексеев, 1982, 1989; Протопопов и др., 1990; Горшков, 1991; Цветков, 1991; Черненькова, 1992; Бязров, 1993, 1994; Ковалев, 1994; Мозолевская, 1995; Жидков, 1995; Николаевский, Николаевская, 1995; Николаевский, 1998; Голубева, 1999; Knabe, 1981; Manual.., 1987 и др.]. Значительная часть работ выполнена в сосновых экосистемах.

Несмотря на существенную научную проработку проблемы взаимодействия лесных экосистем и атмосферных загрязнителей, остались не до конца выясненными закономерности пространственного распределения выбрасываемых химических компонентов в различных элементах лесных экосистем, вопросы оценки степени загрязнения лесов многокомпонентными выбросами и связи состояния насаждений с уровнем содержания техногенных веществ. В условиях промышленного воздействия требуют унификации технология определения состояния лесов, критерии и индикаторы диагностики жизнестойкости деревьев и древостоев, система комплексного мониторинга лесов, включающая не только наблюдения за биологической составляющей, но и факторами техногенного воздействия.

В целях снижения ущерба лесам от промышленного загрязнения были разработаны методологические основы и технологии нормирования фитотоксичных веществ, нормативы их допустимого воздействия на лесные растения и экосистемы [Николаевский, 1979, 1993; Серебрякова, 1980; Обухов, 1992; Воробейчик, Садыков, Фарафонов, 1994; Алексеев, 1994; Михайлова, 1997; Prinz, Brandt, 1982; Resolution.., 1979; Air..., 1985; Sverdrup e.a., 1992 и др.]. Для отдельных лесных территорий предложены практические рекомендации по повышению устойчивости поврежденных выбросами насаждений [Влияние промышленного…, 1981; Капралов, 1981; Тарасенко, 1991; Петров, 1993; Коженков, 1993; Кирейчева, Глазунова, 1995; Коровин и др., 2003; Keller, Matyssek, 1990; Podrazsky,1995 и др.]. Вместе с тем, комплексной системы мероприятий по сохранению лесов, повышению их устойчивости и реабилитации в условиях аэротехногенного воздействия до настоящего времени не создано.

Основная часть диссертационных исследований проведена в Нижегородской обл. на Дзержинском экологическом стационаре ВНИИЛМ (Дзержинский, Балахнинский и Затонский лесхозы) в сосняках брусничных и зеленомошно-лишайниковых разных возрастных групп. Основное влияние на состояние лесных насаждений Дзержинского и части Балахнинского лесхозов оказывают предприятия химической промышленности с объемом выбросов 60-150 тыс. т/год. В Московской обл. в качестве объектов исследований служили сосняки зеленомошно-лишайниковые, сложные и разнотравные, произрастающие на территории Виноградовского, Куровского и Егорьевского лесхозов, которые подвержены воздействию выбросов предприятий химической и строительной промышленности (около 40 тыс. т/год) при доминировании в составе твердых компонентов и диоксида серы. Изучаемые насаждения в районе г. Братска Иркутской области (молодняки, спелые, перестойные сосняки и производные насаждения в разнотравных типах леса) подвергались выбросам предприятий по производству алюминия и лесопромышленного комплекса (твердые и газообразные фтористые соединения, диоксид серы, оксиды азота и сероводород) с годовым объемом более 200 тыс. т.

Методика работ предусматривала комплекс полевых и лабораторных методов биогеоценологических и лесоводственно - таксационных [Сукачев, Зонн, 1961; Молчанов, Смирнов, 1966; Воронков, 1973; Абатуров, Матвеева, 1974; Семечкина, 1978; Лиепа, 1980; Уткин, 1982 и др.], почвенно-экологических [Аринушкина, 1970; Сердюкова, Ромашкевич, 1983 и др.], физиолого- биохимических [Годнев, 1968; Большой практикум…, 1978; Николаевский, 1979 и др.] и аэро- гидрохимических [Дроздова и др.,1964; Новиков и др., 1990 и др.] исследований.

Обработка полученных данных проводилась методами дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов [Свалов, 1977; Никитин, Швиденко, 1978 и др.] с использованием современных компьютерных средств.

Для обоснования результатов исследований и выводов в диссертации использованы данные обследования состояния лесов на площади около 100 тыс. га, 117 постоянных и временных пробных площадей, на которых были установлены таксационные параметры и состояние у 20 тыс. деревьев, изучен ход роста 150 и надземная фитомасса 110 модельных деревьев, проведено около 50 тыс. измерений длины хвои и побегов и 2500 кернов древесины, определений влажности 15 тыс. почвенных и растительных образцов. Закономерности взаимодействия загрязнителей и лесных экосистем установлены на основе изучения химического состава 2300 образцов воздуха, снега, почв, лесной подстилки, хвои, дождевых и лизиметрических вод, в которых выполнено около 20 тыс. определений содержания токсических веществ, элементов минерального питания и физиологических показателей. В целях изучения влияния кислотности осадков и тяжелых металлов на сосну обыкновенную проведено около 70 вариантов долговременных лабораторных и полевых экспериментов.

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ВЫБРОСАМИ

Проведенные экспериментальные измерения содержания техногенных примесей в атмосферном воздухе лесных массивов, а также анализ загрязненности воздуха на постах контроля Роскомгидромета позволили обосновать метод определения уровня атмосферного воздействия для каждого лесного участка через дозовую нагрузку фитотоксиканта, которая определяется как произведение концентрации на время продолжительности воздействия:

DN = c_м t , (2.1)

где с_м - максимальная (подфакельная) концентрация фитотоксиканта в точке измерений, мг/м³;

t - время действия фитотоксиканта за определенный период, вычисленное через продолжительность ветров, дующих от источника выбросов в точку измерения, час.

Показатель дозовой нагрузки позволяет комплексно оценивать уровень загрязнения лесов, так как учитывает и концентрацию фитотоксичного вещества, и продолжительность его действия на растения.

Для сравнения режима загрязнения лесов на разных объектах предложено использовать индекс суммарной дозовой нагрузки (I_DN ), учитывающий относительную фитотоксичность загрязнителей :

, (2.2)

где : DN_i - дозовая нагрузка фитотоксиканта, рассчитанная для конкретного направления или участка насаждений через среднюю подфакельную концентрацию i-го вещества и продолжительность ее действия;

k_i^фт - коэффициент фитотоксичности i-го вещества по отношению к диоксиду серы (в диссертации приводится его обоснование).

Сравнение загрязнения атмосферного воздуха над лесными массивами на объектах исследований показывает, что индексы суммарной дозовой нагрузки примесей закономерно возрастают от Воскресенского стационара до Братского промрайона, согласуясь с площадью повреждения насаждений (табл. 1).

Таблица 1

Сравнительная оценка уровня загрязнения воздуха в направлении преобладающих ветров над лесными насаждениями на объектах исследований