Древесная и кустарниковая растительность в Юго-Западном интродукционном районе (на примере г. Вологды)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Древесная и кустарниковая растительность в Юго-Западном интродукционном районе (на примере г. Вологды)

06.03.01 - Лесные культуры, селекция, семеноводство

Соколова Елена Борисовна

Архангельск - 2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Бабич Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Дроздов Игорь Иванович;

кандидат биологических наук, доцент Евдокимов Владимир Николаевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Поморский государственный университет им. М.В. Ломоносова»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Немногочисленный ассортимент местных деревьев и кустарников таежных лесов Европейского Севера является одним из стимулирующих факторов проведения исследований в этом направлении - введение в культуру новых видов, которые могут быть использованы в повышении продуктивности таежных лесов и уровня хозяйственного освоения земельных ресурсов, улучшении комфортности северных городов и поселков, в формировании и расширении базы витаминного и лекарственного сырья, а также выполнять культурно-просветительскую функцию.

С точки зрения затронутых выше вопросов диссертационная работа является, безусловно, актуальной.

Цель исследований: комплексный анализ устойчивости и развития интродуцированных и экстразональных видов дендрофлоры в урбанизированной среде.

Для выполнения поставленной цели решались следующие программные вопросы:

· обзор литературы по теме исследований;

· анализ климата г. Вологды;

· мониторинг санитарного состояния древесной и кустарниковой флоры в антропогенной среде;

· исследование степени адаптации интродуцентов и экстразональных видов к экологическим условиям г. Вологды;

· репродуктивная способность изучаемых пород.

Научная новизна. На основе обширного материала и биолого-экологического подхода выполнен комплексный анализ устойчивости и развития интродуцентов и экстразональных видов древесной и кустарниковой флоры в урбанизированной среде.

Полученные материалы значительно расширяют уровень научно-информационных знаний о возможности продвижения на Север новых хозяйственно-ценных древесных и кустарниковых пород, эффективно выполняющих архитектурно-декоративные, санитарно-гигиенические, средообразующие и средозащитные функции, а в конечном итоге - социальную функцию, и тем самым, сводят к минимуму факторы риска в лесокультурном деле и зеленом строительстве городов Европейского Севера.

Обоснованность выводов и достоверность результатов базируются на большом объеме экспериментального материала, обеспечивается реализацией общепризнанных методик проведения исследований и обработки исходных данных с применением вариационной статистики, методов корреляционного и регрессионного анализов с использованием современных компьютерных технологий. Исследования выполнены на пятипроцентном доверительном уровне.

Личный вклад. Автором сформулированы цель и программные вопросы, разработана методика, выполнены полевые исследования, проведенастатистическая обработка и проанализированы полученные результаты, сформулированы выводы и практические рекомендации.

Практическая значимость работы. Материалы исследований могут быть использованы при проектировании и реконструкции зеленых насаждений. Отселектированы растения древесной и кустарниковой флоры высокой жизнеспособности и зимостойкости, которые рекомендованы к использованию как маточники для заготовки лесосеменного сырья и вегетативного потомства. Полученные нами данные о видовом разнообразии эпифитной лихенофлоры могут служить исходной точкой начала регионального мониторинга за состоянием окружающей среды и тем самым за городскими зелеными насаждениями.

Апробация и публикация работ. Основные положения и результаты исследований были доложены на научно-практических и научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ВГМХА в 2008-2010 гг., АГТУ в 2010 г. На ежегодном смотре-сессии аспирантов и молодых ученых академии результаты исследований отмечены дипломом II степени.

По материалам исследований опубликовано шесть работ, в т.ч. одна статья в журнале по перечню ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 179 страницах машинописного текста и состоит из общей характеристики работы, пяти глав, заключения и 10 приложений. Список литературы содержит 291 наименование, в том числе 7 на иностранных языках. Текст иллюстрирован 46 таблицами и 12 рисунками.

Работа выполнена в процессе обучения соискателя в аспирантуре очной формы (2007-2010 гг.). Исследования поддержаны стипендией главы Администрации Вологодской области.

Глава 1. ИНТРОДУЦЕНТЫ И ЭКСТРАЗОНАЛЬНЫЕ ВИДЫ В АНТРОПОГЕННОЙ СРЕДЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Видовой состав дендрофлоры лесов Европейского Севера весьма ограничен. Богатство декоративных свойств интродуцированных деревьев и кустарников и их способность со временем изменяться создают неограниченные возможности для формирования внешнего облика озеленяемых территорий.

Под интродукцией растений понимается переселение отдельных видов и форм растений в новые естественно-исторические районы, где они раньше не произрастали. Проблеме интродукции древесных и кустарниковых видов и, в частности при озеленении городов, многие ученые уделяли и продолжают уделять значительное внимание (Мелехов, 1932, 1984; Орлов, 1962; Войчаль, 1964; Львов, 1966; Андреев, 1970; Лапин, Калуцкий, Калуцкая; 1979; Калуцкий, Крылов, Болотов, 1981; Нилов, 1981, 1983, 1988; Дроздов, 1992; Жидкова, 2002; Бечина, 2006; Павлов. 2007; Авдеева, 2008; Сродных, 2008; Усова, 2008; Гневнов, 2009 и др.).

Городская среда может рассматриваться как модель возможного глобального изменения естественной среды, а взаимоотношения человека с городскими растениями могут стать основной формой взаимодействия человека с природой в будущем.

Список деревьев и кустарников, используемых на практике при озеленении северных городов и поселков, значительно уже по сравнению с «теоретическим» ассортиментом дендрофлоры, который рекомендуют учёные. Например, для Мурманской области он включает 62 растения (Казаков, 1987), Республики Коми - 72 (Моисеев, Волкова, Мартынов, 1984), Карелии - 80 (Андреев, 1977) и для озеленения городов и поселков Архангельской области - 127 (Малаховец, Тисова, 2002). К сожалению, по Вологодской области такая информация нами не выявлена.

Глава 2. ЕСТЕСТВЕННО-ИСТОРИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились в зеленых насаждениях одного из древнейших русских городов - Вологде (59є13 с.ш. 39є53' в.д.) Вологодской области, которая входит в северо-западный экономический район. Согласно интродукционному районированию В.Н. Нилова (1989) область относится к Юго-Западному интродукционному району. По результатам всероссийской переписи населения 2002 года в городе проживает 296 тыс. человек. Согласно доклада О.В. Дмитриевой (2006), Вологда классифицируется как крупный город.

Ведущими отраслями промышленности в городе являются: деревообрабатывающая и мебельная, станкостроение и металлообработка, производство оборудования для деревообрабатывающей и молочной промышленностей.

Климат умеренно континентальный с продолжительной холодной многоснежной зимой, короткой весной, относительно коротким, умеренно теплым увлажненным летом, продолжительной и сырой осенью. Средняя температура января -11,6 °С, июля + 17,2 °С. Вологда расположена в зоне достаточного увлажнения. За теплый период года (апрель-октябрь) выпадает 72% годового количества осадков.

Условия почвообразования определяют развитие почв по подзолистому типу. Коренные породы в городе залегают на глубине 60-90 м. Почвообразующими породами являются озерные отложения (пески, глина).

Климат г. Вологды позволяет успешно выращивать дуб, клен, вяз, липу, каштан, барбарис, сирень и другие интересные, с точки зрения создания экспозиций для широкой просветительской работы, древесные и кустарниковые породы.

Глава 3. МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Принятая нами методика синтезирует адаптированные к городской среде частные методики по исследованию отдельных вопросов и тем самым носит комплексный характер.

Методологической основой исследования послужили труды российских и зарубежных ученых лесоводов, экологов, лесокультурников и биологов (Ремезов, Погребняк, 1965; Роде, Смирнов, 1972; Сукачев, 1972; Лир, Польстер, Фидлер, 1974; Одум,1975; Николаевский, 1979; Мелехов,1989; Казенс, 1982; Спурр, Барнес, 1984; Булыгин, Ярмишко, 2000; Дроздов, Дроздов, 2002; Царев, Погиба, Тренин, 2002; Цветков, Цветков, 2003; Методические указания по семеноведению интродуцентов, 1980) и официальные (рекомендательные) документы, а также имеющийся в регионе опыт интродукции.

Исследованиями охвачены насаждения городских скверов, бульваров, садов и парковых массивов. Санитарное состояние деревьев оценивали по шестибальной шкале, приведенной в «Санитарных правилах …,1998».

Почвенные разрезы и прикопки выполнены согласно методическим указаниям А.Л. Паршевникова (1974); Е.Н. Наквасиной, В.С. Серого, Б.А. Семенова (2007). Фенологические наблюдения проводились согласно основным положениям методических разработок И.Н. Бейдемана (1954), И.Н. Елагина (1970), Ф. Шнелле (1961), Б.И. Иваненко (1962), З.И. Лучник (1964), М.С. Александровой, Н.Е. Булыгина, В.Н. Ворошилова (1975), Н.В. Кречетовой, О.Ф. Крестовой, Е.С. Любич и др. (1978), Н.Е. Булыгина (1979), И.Н. Елагина, А.И. Лобанова (1979), П.М. Малаховца, В.А. Тисовой (1999).

Оценка зимостойкости и морозоустойчивости проводилась по методике Главного ботанического сада Академии Наук (ГБС АН).

Оценка цветения и плодоношения деревьев и кустарников определялась по шкале В.Г. Каппера. Сбор плодов и семян проводили в период их полной зрелости. Качество семян (всхожесть, жизнеспособность, доброкачественность) определяли согласно ГОСТов:13056.6-97; 13056.7-93; 13056.8-97, массу 1000 шт. семян - согласно ГОСТ 13056.4- 67.

Оценка состояния ассимиляционного аппарата проводилась у хвойных и лиственных деревьев и кустарников по западноевропейской методике (Manual…, 1986). Учитывались методические рекомендации и других авторов (Рожков, Хлимонкова, Степанчук, 1991; Цветков, Цветков, 2003).

Пылезадерживающую способность лиственных деревьев и кустарников определяли по методике, предложенной О.В. Ивлиевой (2003) и реализованной П.А. Феклистовым, Д.П. Дрожжиным, Н.В. Гласовой (2008) и другими исследователями.

В течение вегетационного периода велись наблюдения за температурой почвы и воздуха (термометр АМ-6 и ТМ-З).

Определение содержания тяжелых металлов в образцах почвы и листьев проведено в аккредитованной испытательной лаборатории ФГУ Государственного центра агрохимической службы «Вологодский» в соответствии с требованиями ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.7.2511-09.

За период сбора полевого материала выполнено:

- 7577 учетов отдельных деревьев и кустарников;

- 2552 измерений их диаметров и 716 высот;

- 5750 определений декоративности деревьев и кустарников;

- 616 фенонаблюдений и 5151 замеров в рамках наблюдений за сезонным ростом растений;

- 126 измерений температуры почвы;

- 1480 наблюдений за зимостойкостью;

- 1380 замеров линейных размеров семян;

- 260 взвешиваний массы 1000 шт. семян;

- 81 повторность определения технической всхожести (доброкачественности) семян;

- 720 определений состояния ассимиляционного аппарата;

- 270 определений пылезадерживающей способности;

- 1485 измерений площади листьев.

Глава 4. РОСТ И РАЗВИТИЕ ИНТРОДУЦЕНТОВ И ЭКСТРАЗОНАЛЬНЫХ ВИДОВ

В настоящее время площадь зеленых насаждений г. Вологды в пределах городской черты составляет в целом 681, 5 га, в том числе зеленых массивов и насаждений общего пользования - 346,5 га.

Норма озеленения на одного жителя для крупных городов - 10 м² (Боговая, Теодоронский, 1990). В г. Вологде этот показатель составляет 11,7 м², что несколько выше нормы.

На территории г. Вологды произрастает 59 видов деревьев и кустарников, принадлежащих 18 семействам. Древесные растения в насаждениях общего пользования города представлены 33 видами, принадлежащими 18 родам, 12 семействам. Кустарники составляют 26 видов, относящихся к 18 родам и 9 семействам. Наиболее многочисленное семейство Розоцветные (Rosaceae). Оно насчитывает 4 вида деревьев и 16 видов кустарников. Среди представленной дендрофлоры выделены аборигенные, экстразональные и интродуцированные растения (табл. 1).

Таблица 1 - Распределение состава дендрофлоры по семействам

интродуцированный экстразональный древесный кустарниковый

В насаждениях зарегистрировано 14 представителей местной флоры, 5 экстразональных видов и 40 видов интродуцентов.

На долю древесных пород приходится 80%, а на кустарники - 20 % от общего состава насаждений. Инорайонные растения (72%) преобладают над местными. В городской черте преобладают береза (25,0%), тополь (16,4%), липа (14,5%), остальные породы занимают не более 10% в составе насаждений. Среди интродуцентов наибольшее представительство североамериканской и сибирской флоры. Среди кустарников лидирующее положение занимает карагана древовидная и кизильник блестящий. На их долю приходится 45% от других видов кустарников.

По результатам наших исследований неблагоприятные условия суровых зим успешно переносят все изучаемые хвойные виды, а также абориген - рябина обыкновенная и экстразональный вид - липа мелколистная. Среди кустарников можно назвать самую зимостойкую породу - карагану древовидную (табл. 2).

Высокую зимостойкость и морозоустойчивость, кроме аборигенных и экстразональных пород, показали виды, интродуцированные из Западной Европы и Северной Америки. Наименее морозоустойчивыми в условиях Европейского Севера оказались виды, интродуцированные с Дальнего Востока и горных лесов Балканского полуострова.

Таблица 2 - Зимостойкость и морозоустойчивость деревьев и кустарников

Успешность перезимовки в условиях Европейского Севера определяется не только условиями зимы, но и подготовленностью к нему растений, прежде всего их общим состоянием, степенью завершаемости ростовых процессов, полнотой прохождения осенних фенофаз сезонного развития и снижением физиологической активности в связи с переходом в состояние зимнего покоя. Каштан конский обыкновенный не успевает подготовиться к зиме, его побеги не одревесневают полностью к моменту наступления устойчивых отрицательных температур, чем и объясняется его умеренная морозостойкость.

Сравнительный анализ фенологических ритмов свидетельствует о том, что пробуждение изучаемых видов древесной растительности происходит не одновременно.

Растения-интродуценты кустарниковой жизненной формы в городских условиях вступают в период вегетации почти на две недели раньше деревьев-интродуцентов (табл. 3). Они начинают вегетировать в первой половине апреля (2-15.04); а деревья-интродуценты - во второй и даже начале мая.

Из древесных пород раньше начинают вегетировать аборигенные виды (6.04-28.04), их требовательность к теплу значительно ниже. К этой дате сумма положительных среднесуточных температур составила 96,6 ⁰С. В фазу цветения раньше вступает аборигенный вид береза повислая (12.05). Средняя температура воздуха за период цветения (16.05-1.06) деревьев местной дендрофлоры составила 10,1 ⁰С. Примерно через 10 дней (3.05-25.06) в фазу цветения вступают деревья интродуценты. Продолжительность этой фазы на 7 дней больше по сравнению с периодом цветения деревьев местной дендрофлоры и составляет 23 дня. Кустарники-интродуценты вступают в фазу цветения позже всех групп растений. Период их цветения продолжается в течение 13 дней и сопровождается прогреванием воздуха в среднем за этот цикл до 14,4⁰С.

Для местных морозоустойчивых видов характерен более короткий период вегетации (124-144 дня), который завершается при среднесуточной температуре воздуха выше +9⁰С. Начало роста у экстразональных и интродуцированных лиственных деревьев и кустарников начинается и заканчивается позднее, чем у местных.

Период начала роста наблюдается в первой половине мая, когда происходит пробуждение почек. Исследования показали, что начало роса побегов тесно связано с температурой воздуха. Первыми в фазу вегетации вступает лиственница сибирская и сосна скрученная (при установлении среднесуточной температуры +5⁰С), последними - липа крупнолистная, ясень обыкновенный, дуб черешчатый, когда среднесуточная температура достигает +12⁰С.

Таблица 3- Средние даты сезонного развития изучаемых видов (число, месяц) ^*

* курсивом выделены экстразональные виды, полужирным шрифтом - интродуценты

Период начала роста сильно зависит от температуры воздуха и почвы. Теснота связи у различных пород колеблется от умеренной до очень высокой (r=0,38-0,92). На этот период приходится примерно до 20 % годичного прироста по высоте. Период, характеризующийся максимальным ростом, приходится на середину июня, когда среднесуточная температура воздуха резко повышается и выпадает достаточно осадков. В это время интенсивно идут процессы роста растения, величина приростов резко увеличивается. На период максимального роста приходится от 50 до 90% от общего прироста за сезон. Теснота связи с температурой воздуха и почвы характеризуется как значительная и очень высокая (r=0,71-0,96). Прекращение роста наступает одновременно с фенофазой летнего пожелтения листьев. В этот период резко падает интенсивность роста в высоту. Связь с погодными условиями колеблется от слабой до очень высокой (r=0,30-0,98). Наступает новый период в жизни древесного растения - период окончания формирования ассимиляционного аппарата и синтез необходимых запасных и других веществ (Чертовской, Мелехов, Крылов, Агеенко, Таланцев,1974).

Первыми прекращают рост аборигенные виды: береза пушистая, ель обыкновенная, сосна обыкновенная; последними - теплолюбивые интродуценты (калина гордовина, липа крупнолистная) и экстразональные виды (ясень обыкновенный, липа мелколистная, дуб черешчатый). На период окончания роста приходится самый низкий процент от общего прироста и колеблется от 3 до 15%. У местных видов требовательность к теплу значительно ниже - периоды развития менее растянуты.

Прохождение полного цикла развития является одним из самых важных показателей хорошей приспособленности растений к новым условиям среды. Наличие семенной репродукции у интродуцированных растений обуславливает получение в последующих поколениях еще более приспособленных, устойчивых особей, т.к. последующие поколения семенного размножения более устойчивы к неблагоприятным факторам среды (Аврорин, 1956; Гурский, 1957). Все изученные нами древесные и кустарниковые породы плодоносят с колебанием балла плодоношения от 3 до 5.

Показатели качества семян (табл. 4) определяют пригодность семян к посеву, дают возможность уточнить норму высева и прогнозировать выход посадочного материала с единицы площади, оценить степень акклиматизации вида.

С учетом имеющихся шкал нами выполнена оценка полученных семян по пяти группам качества:

Первая группа растений характеризуется высокими (81-100%) показателями качества семян. По нашим данным в эту группу входят рябина обыкновенная (93%), сирень обыкновенная (92%), ясень зеленый (93%).

Вторая группа - 61- 80%. В эту группу вошла яблоня ягодная (72%).

Третья группа объединяет растения со всхожестью и жизнеспособностью семян - 41-60%. В нее вошли следующие растения: березы, пушистая (57%) и повислая (44%), бузина красная (43%), карагана древовидная (55%), клен остролистный (45%), липа мелколистная (48%), ясень обыкновенный (41%).

В четвертой группе представлены растения с низкими качествами семян. Их всхожесть (жизнеспособность) составляет 21-40%. Представителями этой группы являются барбарис обыкновенный (31%), клен Гиннала (33%), липа крупнолистная (35%), роза морщинистая (28%).

Пятая группа объединяет растения с очень низким качеством семян (менее 20%), и в нее входят вяз гладкий (8%), дуб черешчатый (11%), ель колючая форма голубая (3%), жимолость татарская (10%), каштан конский обыкновенный (10%), лиственница сибирская (9%).

Таблица 4- Посевные качества семян, % ^*

* курсивом выделены экстразональные виды, полужирным шрифтом - интродуценты

Семена лиственницы сибирской со всхожестью 9% признаются нестандартными.

Глава 5. САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКАЯ РОЛЬ И СОСТОЯНИЕ ДЕНДРОФЛОРЫ

В результате проведенных исследований установлено, что лихенофлору эпифитных лишайников зеленых насаждений г. Вологды формируют 14 видов. В пределах зеленых насаждений города индекс полеотолерантности изменяется от 6,28 до 8,45 и тем самым позволяет выделить две зоны: зона смешанная повышенная и зона борьбы пониженная.

Ослабленных растений среди экстразональных видов меньше, чем у интродуцентов и местных. Особенно у липы крупнолистной и дуба черешчатого.

При оценке санитарного состояния кустарников отмечаем наименьшее немеханическое повреждение жимолости татарской, сирени обыкновенной, барбариса обыкновенного. Эти виды можно использовать при озеленении городских территорий достаточно широко.

По шкале Ф.А. Амирова (1982) живой напочвенный покров в парках характеризуется как слабонарушенный, в скверах - как средненарушенный.

На современном этапе тяжелые металлы считаются приоритетными загрязняющими веществами для различных сред. Они способны проявлять свои токсические действия, попадая во все живое (Никаноров, Хоржуая, 1999). Автомобильный транспорт является одним из основных источников поступления в окружающую среду тяжелых металлов и, в зависимости от интенсивности его движения, оказывает влияние на растительность и почву на полосе шириной 10-15 м (Савельева, 1980) - 50-100 м и более (Ильин, 1991).

Содержание тяжелых металлов в городской почве как у кромки автодороги, так и на удалении 50 м от нее в целом ниже предельно допустимых концентраций или близки к фоновым показателям (табл. 5).

Таблица 5 - Содержание валовых форм тяжелых металлов в почвах и распределение их по классам опасности, мг/кг

^* Обзор фонового состояния окружающей природной среды СССР за 1985 г. М.: Гидрометеоизат, 1986. - 202 с.

Ассимиляционный аппарат лиственных пород деревьев и кустарников имеет широкий спектр повреждений - типичный морфо-физиологический отклик на загрязнение среды (табл. 6).

Виды, у которых процент повреждений листовой пластинки у кромки проезжей части значительно превышает процент повреждений на расстоянии 50 м, неустойчивы в условиях хронического отравления автомобильными выбросами. В нашем случае это яблоня ягодная, липа мелколистная, дуб черешчатый, березы повислая и пушистая, жимолость татарская, карагана древовидная, барбарис обыкновенный, роза морщинистая, бузина красная.

Таблица 6 - Встречаемость различного рода патологий на листьях древесных пород, %

Растения благодаря своим морфологическим и физиологическим свойствам могут рассматриваться как фильтрационная система, обладающая способностью абсорбировать и разлагать загрязнители. К группе растений с максимальной фильтрационной способностью относятся береза пушистая, липа мелколистная, дуб черешчатый, барбарис обыкновенный, карагана древовидная, липа крупнолистная.

Негативное влияние поллютантов отражается не только на хлоротино-каротиновом комплексе, но и сопровождается значительными изменениями в морфологии и анатомии листа. Любые изменения, происходящие в листе, следует рассматривать как компенсационную реакцию организма растения на техногенное воздействие. Нами проведены исследования по определению площади поверхности листьев, образцы которых были взяты: возле дороги, на расстоянии 50 м от дороги, в насаждении искусственного происхождения (бывшая усадьба помещика Вепрева), находящееся на удалении 2 км от источников загрязнения.

Согласно полученным результатам установлено, что площадь поверхности листьев на расстоянии 50 м от дороги больше, чем в непосредственной близости к ней. Исключение составил каштан конский. Растения, у которых разница между площадью поверхности листа возле проезжей части и на удалении от нее незначительная (береза повислая, береза пушистая, вяз гладкий, дуб черешчатый, липа крупнолистная, клен Гиннала, ясень зеленый, барбарис обыкновенный, роза морщинистая и сирень обыкновенная), можно считать устойчивыми видами в условиях города.

При сравнении площади листьев в искусственном насаждении и у дороги отмечено, что во всех случаях площадь листа у дороги меньше, чем в роще. Увеличение площади листьев у каштана конского обыкновенного в условиях загрязнения автомобильными выбросами, связано с поиском возможной перестройки ассимиляционного аппарата для улуч...