Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська академія аграрних наук

ІНСТИТУТ АГРОЕКОЛОГІЇ

УДК 504.73.03:630*18:630*425:630*561.24

біологічні особливості лісових екосистем Правобережжя середнього Дніпра в умовах антропогенного впливу

03.00.16 - екологія

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

МІРОШНИК Наталія Володимирівна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті агроекології Української академії аграрних наук

Науковий керівник доктор сільськогосподарських наук, старший науковий співробітник, доцент Лавров Віталій Васильович, Інститут агроекології УААН, завідувач відділу економіки природокористування та сталого розвитку сільських територій

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор, член-кореспондент УААН Цилюрик Анатолій Васильович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, професор кафедри біології лісу та мисливствознавства

доктор біологічних наук, професор Чернобай Юрій Миколайович, Державний природознавчий музей НАН України, директор

Захист дисертації відбудеться “20” жовтня 2010 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.371.01 Інституту агроекології УААН за адресою: 03143, м. Київ-143, вул. Метрологічна, 12.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту агроекології УААН за адресою: м. Київ, вул. Метрологічна, 12.

Автореферат розіслано “18” вересня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат сільськогосподарських наук В.В. Чайковська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На засадах міжнародної співпраці Україна виконує завдання щодо збереження ландшафтів, біорізноманіття, екологічного нормування антропогенних навантажень на навколишнє природне середовище (НПС) тощо. Це спонукає до активізації досліджень з питань оцінки стану природних екосистем зелених зон навколо промислових міст, що комплексно негативно впливають на НПС. Серед природних екосистем ландшафтної сфери лісові об'єкти є важливими структурними компонентами щодо продукування біомаси, регулювання природних процесів, очищення довкілля від забруднення, покращення умов життя, рекреації, збереження біорізноманіття та інших екосистем, у програмах оптимізації структури ландшафтів. Проте, в урбанізованих промислових регіонах ліси зелених зон зазнають істотного антропогенного навантаження, що спричиняє їх деградацію, порушення структури біорізноманіття та зниження екологічної, созологічної, рекреаційної ролі. В умовах рівнинного рельєфу, зокрема, на Правобережжі середнього Дніпра, особливо вразливими щодо фітотоксикантів є соснові лісостани, старші за середньовікові. Порушення цілісності та структурно-функціональної організації лісових екосистем ускладнює розбудову екологічної мережі України, збереження Черкаського бору, найбільшого в Україні острівного масиву Pinus sylvestris L. природного походження, ключову територію національного рівня.

Більшість досліджень антропогенних змін лісових екосистем присвячено певним структурно-функціональним компонентам, а не всій екосистемі, недостатньо проаналізовані зміни екосистем у часі та просторі. Дослідження впливу різних екологічних чинників, зазвичай, недостатньо узгоджують з наявним екологічним фоном та не враховують взаємодію супутніх факторів НПС. Це призводить до отримання неповної інформації, особливо в умовах впливу комплексу чинників різного походження, інтенсивності, небезпеки тощо. Наявні системи діагностичних показників антропогенної трансформації лісових екосистем потребують уточнення на синекологічному рівні з урахуванням особливостей розподілу ефектів деградації у структурі екосистеми залежно від її характеристики, взаємовпливу структурно-функціональних компонентів, взаємодії лісової екосистеми з суміжними природними екосистемами, динаміки кількісно-якісних показників екологічного фону. Є проблемою також виділення антропогенного складника з інтегрального ефекту змін екосистеми на фоні несприятливого впливу природних умов. Щоб поглибити розуміння цих явищ та забезпечити контролювання екологічних загроз лісовим екосистемам, біорізноманіттю, необхідні екосистемні дослідження з урахуванням основних структурних рівнів цих систем та динаміки умов НПС. Отже, дослідження стану лісових екосистем за умов комплексного впливу людини є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проведено в Інституті агроекології УААН упродовж 2007-2009 pp. відповідно до Науково-технічної програми «Науково-практичне обґрунтування сталого розвитку агроекосистем України» (2006-2010 рр., №ДР 0106U004038), завдання 04.01.01/092 «Теоретично обґрунтувати та розробити методику еколого-економічної оцінки стану лісових ресурсів природно-кліматичних зон України» (2007 р.; №ДР 0106U004040) та «Теоретично обґрунтувати та розробити методологічні засади переходу до збалансованого використання лісових ресурсів агросфери за природно-кліматичними зонами України» (2008-2009 рр.; №ДР 0108U000463).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження було виявити біологічні особливості трансформації лісових екосистем Правобережжя середнього Дніпра в умовах комплексного антропогенного впливу, удосконалити методику діагностики цих змін та розробити асортимент деревних порід для створення в регіоні стійких до забруднення атмосфери лісових насаджень.

Для досягнення поставленої мети необхідно було виконати такі завдання:

- оцінити стан лісових екосистем Правобережжя середнього Дніпра та виявити особливості негативного впливу на них людини;

- охарактеризувати зміни санітарного стану, розвитку і структури соснових деревостанів регіону порівняно з докризовим періодом 1990-х рр. інтенсивного забруднення атмосфери промисловими викидами фітотоксикантів;

- встановити зміни у часі і просторі лісової рослинності, у т.ч. структури трав'яного покриву, стану та розповсюдження епіфітних лишайників залежно від виду та інтенсивності антропогенного впливу;

- обґрунтувати та розробити науково-методичні рекомендації щодо удосконалення асортименту деревних порід для створення стійких до забруднення атмосфери лісових насаджень.

Об'єкт дослідження - комплексний антропогенний вплив на лісові екосистеми Правобережжя середнього Дніпра.

Предмет дослідження - біологічні особливості (стійкість, продуктивність та структура) лісових екосистем регіону за умов комплексного антропогенного навантаження та діагностичні показники порушення їхньої структурно-функціональної організації.

Методи дослідження. Системного, ретроспективного, порівняльного аналізу та методи екологічних профілів - виявлення розподілу у просторі і часі ефектів негативного впливу на лісові екосистеми; польові (лісівничо-таксаційні, еколого-флористичні, геоботанічні) - закладання пробних площ, характеристика елементів лісу та відбір зразків; фітоіндикаційні (оцінка санітарного стану та таксаційних показників деревостану, структури трав'яного покриву, ліхеноіндикація) - виявлення рис і встановлення ступеня антропогенної трансформації лісової екосистеми; лабораторні - аналітична обробка даних; математично-статистичні - перевірка достовірності результатів комп'ютерними методами аналізу баз даних (Microsoft Оffice 2003). лісовий екосистема забруднення атмосфера

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше: охарактеризовано аеротехногенну трансформацію структури соснових деревостанів як інтегральний результат накладання кількох явищ: пригнічення розвитку і відпад домінантів і содомінантів та активізація розвитку частини дерев ІІІ (IV) класів Крафта, що призводить до зміни домінантів (содомінантів), звуження діапазонів розподілу значень таксаційних показників, порушення природних закономірностей морфометрії деревостану; виявлено явище інерційного погіршення стану (зниження стійкості та продуктивності, трансформація структури) середньовікових лісових екосистем не залежно від перебігу старіння едифікаторного ярусу Pinus sylvestris L. після зниження у 2,8 раза промислових викидів фітотоксикантів; виділено зони різного ступеня антропогенної трансформації рекреаційно-оздоровчих та захисних лісових насаджень у районі м. Черкас.

Удосконалено положення про синергічне підсилення аеротехногенного пошкодження лісових екосистем рекреаційним навантаженням; асортимент деревних порід для створення лісових насаджень з урахуванням стійкості видів до аеротехногенного забруднення.

Набули подальшого розвитку стаціонарні дослідження УкрНДІЛГА (1988-2007 рр.) щодо локального моніторингу стану лісових екосистем Правобережжя середнього Дніпра, що зазнають впливу комплексного антропогенного навантаження на різних рівнях організації живого: організм, біогрупа, лісова екосистема, екосистема ландшафту. Уточнено межі зон, виділених за різним ступенем аеротехногенного пошкодження соснових насаджень Черкаського бору та Чигиринського соснового масиву.

Практичне значення одержаних результатів. Відповідно до виділених зон за ступенем антропогенної порушеності Черкаського бору, Чигиринського соснового масиву, захисних лісових насаджень та рекреаційно-оздоровчих фітоценозів м. Черкас державні підприємства та інші суб'єкти діяльності зможуть здійснити реконструкцію та відновлення уражених деревостанів, а також удосконалити планування природоохоронних та лісогосподарських заходів. Для створення біологічно стійких лісових насаджень розроблено асортимент деревних порід з урахуванням стійкості видів до дії аерофітотоксикантів та «Методичні рекомендації щодо підвищення стійкості до аеротехногенного забруднення лісових насаджень Правобережжя середнього Придніпров'я», прийняті до впровадження Державним управлінням охорони навколишнього природного середовища Мінприроди України у Черкаській області.

Удосконалено шкалу R. Mrkva (1971) щодо ліхеноіндикації забруднення довкілля фітотоксикантами та розроблено формулу розрахунку індексу щільності заселення стовбурів дерев у соснових лісах Лісостепу епіфітним лишайником Hypogymnia physodes (L.) Nyl., що сприятиме розвитку експрес-методів виявлення впливу SO₂ на фоні аерозабруднення довкілля комплексом фітотоксикантів SO₂+NH₃+NO_x. Одержані результати є важливими для створення національного природного парку «Черкаський бір», збереження біорізноманіття, природно-заповідного фонду, вони враховані Черкаським Інститутом АПВ УААН при розробленні проекту розбудови регіональної екомережі.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно виконано весь обсяг досліджень, аналіз та узагальнення одержаних результатів, опубліковано основні положення дисертації та прийнято участь у їх апробації. У роботі частково використано стаціонарні об'єкти УкрНДІЛГА, закладені В.П. Вороном і В.В. Лавровим (1988-1992 рр.), та узагальнено деякі положення інших дослідників щодо сукцесії рослинності Черкаського бору, динаміки його стану, асортименту деревних порід, що відображено у посиланнях на джерела.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень викладено, обговорено та схвалено на міжнародній науковій конференції «Значення та перспективи стаціонарних досліджень для збереження біорізноманіття» (Львів - Пожижевська, 23-27 вересня 2008); III міжнародній науковій конференції «Відновлення порушених екосистем» (Донецьк, 7-9 жовтня 2008); міжнародній науково-практичній конференції «Інноваційність розвитку сучасного аграрного виробництва» (Львів, 23-24 жовтня 2008); І-ІІІ науково-практичних конференціях молодих учених «Екологічні проблеми сільськогосподарського виробництва» (Київ, 2007-2009); Міжнародній інтернет-конференції «Розвиток України у XXI ст.: економічні, соціальні, екологічні, гуманітарні та правові проблеми» (Тернопіль, 2008); V міжнародній науковій конференції студентів, магістрів та аспірантів «Сучасні проблеми екології та геотехнологій» (Житомир, 19-22 березня 2008); I міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів та молодих учених «Фундаментальні та прикладні дослідження в біології» (Донецьк, 23-26 лютого 2009); ІІ міжнародній науково-практичній конференції «Екологічна безпека сільськогосподарського виробництва» (Київ, 2-4 червня, 2009); міжнародній науковій конференції «Ботанічні сади - осередки збереження різноманіття світової флори» (Київ, 18-22 травня 2009).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 15 наукових праць, у тому числі 6 статей у фахових наукових виданнях, з них 2 - одноосібно, 8 - тез доповідей у матеріалах наукових та науково-практичних конференцій, 1 - методичні рекомендації.

Структура та обсяг роботи. Повний обсяг дисертації становить 300 сторінок комп'ютерного тексту, з яких основна частина займає 164 сторінки. Дисертація складається з 7 розділів, висновків, рекомендацій виробництву, списку використаних джерел і 22 додатків, ілюстрована 32 таблицями і 59 рисунками. Список використаних джерел налічує 296 найменувань (54 - латиницею). Додатки викладені на 69 сторінках і включають 36 таблиць та 4 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

РОЗВИТОК ЛІСОВИХ ЕКОСИСТЕМ за УМОВ Комплексного Антропогенного навантаження

Розглянуто особливості моніторингу аеротехногенного навантаження на лісові екосистеми, механізми розповсюдження забруднювачів у природному довкіллі, спричинені ними зміни на різних рівнях біологічної організації лісових екосистем (організм, популяція, деревостан, лісова екосистема) та рекреаційний вплив на лісову підстилку, ґрунт, ріст і розвиток лісової рослинності.

На основі узагальнених вітчизняних та зарубіжних літературних даних показано, що промислові викиди у біосферу фітотоксичних речовин є складним для оцінки і регулювання екологічним чинником, що постійно негативно впливає на стан та розвиток лісових екосистем, особливо хвойних деревостанів середнього і старшого віку (Г.М.Илькун, 1978; Ю.З.Кулагин, 1982; У.Х.Смит, 1985; В.П.Тарабрин, 1986; В.С.Николаевский, 1989; И.И.Коршиков, 1996, 1998; В.П.Ворон, 1997, 1999, 2000, 2008; Д.А.Грейбилл, 1990; К.Д.Чубанов, 1992; В.В.Лавров, 1994, 2001, 2003; В.Т.Ярмишко, 1997; J.Poikolainen, 1997, 2004; M.Salemaa, 2004; В.Ф.Цветков, 2003; А.А.Мартынюк, 2004, 2009). Аеротехногенне забруднення спричиняє негативні зміни на всіх рівнях організації лісових екосистем (У.Х.Смит, 1985; «Загрязнение воздуха...», 1988; К.Д.Чубанов, 1992; Е.Г.Бусько та ін., 1995; В.Т.Ярмишко, 1997; В.В.Лавров, 2003; В.П.Ворон та ін., 2008). Його вплив зростає в умовах інтенсивного рекреаційного навантаження, що може призводити до зміни структурно-функціональної організації лісових екосистем, їх деградації (В.П.Ворон та ін., 2008; В.В.Лавров, 1994; В.Ф.Цветков, 2003; А.А.Мартынюк, 2004, 2009).

Численні комплексні дослідження зазначеної проблеми вирізняються, здебільшого, методичними підходами та глибиною опрацювання різних структурних компонентів лісової екосистеми, що ускладнює узагальнення результатів. Досі не достатньо висвітлено ландшафтно-екосистемні особливості сукупного впливу антропогенних чинників на синекологічному рівні.

природні умови розвитку лісових екосистем регіону

Проаналізовано лісорослинні умови, структуру ґрунтово-рослинного комплексу і типи лісу, вплив аеротехногенного забруднення та рекреаційного навантаження на ліси зеленої зони м. Черкас. Зазначено, що Черкасько-Чигиринський геоботанічний район є нетиповим для Лісостепу за складом рослинного покриву. Підкреслено, що природно-кліматичні умови регіону дослідження оптимальні для росту високопродуктивних лісових насаджень. Проте розвиток лісових екосистем понад 40 років обмежує аеротехногенний вплив азот- та сірковмісних фітотоксикантів.

Основними джерелами забруднення природного довкілля фітотоксикантами в регіоні є підприємства Черкаської промислової агломерації (ЧПА)¹¹ЧПА розуміли як соціально-економіко-екологічний комплекс функціонально пов'язаних між собою об'єктів на обмеженій території, що негативно діє на НПС (Є.В.Малашевич, 1987).: ВАТ «Азот», ВАТ «Хімволокно», ВАТ «Хімреактив» та ТЕЦ. За 1988-2006 рр. викиди цих підприємств в атмосферу скоротилися у 2,8 раза внаслідок економічної кризи 1990-х рр. Проте нормативи забруднення повітря часто перевищуються. У 2008 р. середньорічні викиди аміаку сягали 3-3,5 ГДК, диоксиду азоту - 1 ГДК, формальдегіду - 3,5-4 ГДК; середньомісячні концентрації пилу були 3,1 ГДК, NO₂ - 1,3 ГДК. Найбільше деградують узлісся Черкаського бору, звернені у бік міста, промислової зони і Кременчуцького водосховища. Через забруднення лісових ґрунтів порушуються процеси мінералізації підстилки, режиму живлення дерев, пошкоджуються рослини та змінюються екологічні умови лісу. Наголошено, що вплив забруднення можуть синергічно підсилювати періодичні посухи, суховії, збільшення вологості повітря від водосховища, рекреаційне навантаження, порушення гідрологічного режиму ґрунтів внаслідок осушення заплави р. Тясмин (В.В.Лавров, 1994; О.В.Випирайло, 1994).

Проаналізовано зміни санітарного стану деревостанів Черкаського бору та Чигиринського соснового масиву після зменшення аеротехногенного навантаження та збільшення рекреаційного впливу за 1988-2007 рр. Доведено наявність прямопропорційної залежності ступеня пошкодження фітоценозів від наближення до промислової зони і загалом до міста. Найбільше трансформовані приузлісні (1-2 км) насадження урочища «Сосновка» Черкаського бору. Тут більше пошкоджуються домінанти і содомінанти, зростає їх відпад. Зниження стійкості лісових екосистем спричинило активізацію діяльності шкідників і хвороб лісу, збільшення обсягів вибіркових санітарних рубок. Охарактеризовано особливості пошкодження деревостанів залежно від просторового їх розміщення, видового складу, а також розвиток у них підросту і підліску. Визначено просторові зони різного ступеня антропогенної трансформації цих екосистем (рис. 1).

Рис. 1 Зони антропогенного пошкодження сосняків ЧБ, ЧСМ, захисних та рекреаційно-оздоровчих лісових насаджень м. Черкаси і навколо нього: 1 - промзона ЧПА, 2 - абрис проектованого національного природного парку «Черкаський бір», 3 - абрис ЧБ, 4 - абрис ЧСМ; 5 - абрис території міста; І - усихаючі насадження, ІІ - сильно ослаблені, ІІІ - ослаблені («Рекомендации …», 1987); Л - листяні; С - соснові насадження

Санітарний стан пристигаючих і стиглих соснових деревостанів ЧБ і ЧСМ продовжує погіршуватися навіть після зниження у 2,8 раза викидів аерофітотоксикантів за 1988-2006 рр. (рис. 2). Різниця між значеннями індексу санітарного стану різновіддалених (10-19 км) від промислової зони деревостанів урочища «Сосновка» ЧБ зменшилась з 1,11 до 0,26 (рис. 2а). З 1991 р. вони є сильно ослабленими. Деякі з них почали відновлюватися з неоднаковою інтенсивністю: більш порушені приузлісні лісові екосистеми повільніше, ніж віддаленіші від міста (рис. 2а). Соснові насадження ЧСМ, навпаки, стали інтенсивніше, ніж ЧБ, всихати після 1990 р. На довшому (8-47 км) екопрофілі ЧСМ краще виявляється залежність стану деревостану від відстані до джерел забруднення, а також початок зростання інтенсивності всихання (рис. 2б). В урочищі «Сосновка» ЧБ зона сильно ослаблених деревостанів розширилася з 13 до 19 км у північно-західному напрямі від промзони, у ЧСМ (ПдСх напрям) - з 8 до 23 км. Площа таких насаджень у ЧБ збільшилась з 5,8 (1991 р.) до 8,8 тис. га (2007 р.), що свідчить про значне зниження стійкості цих структурно спрощених екосистем до негативних чинників середовища.

а) Черкаський бір б) Чигиринський сосновий масив

Рис. 2 Санітарний стан соснових деревостанів за 1988-2007 рр. залежно від їх просторового розміщення та обсягу викидів фітотоксикантів (у підмалюнковому написі позначено відстань від промзони до ПП, км; (К) - контроль)

З наближенням до міста підвищується стадія рекреаційної дигресії лісових екосистем урочища «Сосновка» ЧБ, збільшується інтенсивність та кількість пошкоджень дерев, випадків пожеж та несанкціонованих звалищ (рис. 3). Зростає тіснота кореляційного зв'язку між показниками рекреації та індексом стану деревостанів (r=-0,68), витоптаною площею (r=-0,68), механічними пошкодженнями дерев (r=-0,88). Зв'язки між віком насаджень та індексом стану дуже слабкі (r=0,04). Стадії дигресії істотно залежать від витоптаності території (r=0,92) і загалом від кількості ознак негативного впливу на них людини (r=0,79). За всіма показниками загрозлива ситуація склалась у приузлісній смузі шириною до 2 км (рис. 3). Тут сильно розвинений трав'яний покрив, відбувається інвазія нітрофільних, рудеральних і світлолюбних видів, що витісняють лісові рослини.

Рис. 3 Рекреаційне пошкодження лісових насаджень екологічного профілю ЧБ (10-Рк - ділянка в зоні узлісся)

Загалом, тривалий антропогенний вплив на сосняки урочища «Сосновка» ЧБ призвів до зниження стійкості та порушення рівноваги лісових екосистем, після чого вони не можуть відновити нормальний стан саморегуляції, саморозвитку і починають передчасно відмирати. Звільнену екологічну нішу починає заповнювати Quercus robur L., оскільки в деревостанах корінних типів лісу В₂дС цієї частини ЧБ на початку ХХ ст. він займав другий ярус (Л.Яновский, 1915). У пристигаючих та стиглих монокультурах Pinus sylvestris L. з повнотою меншою 0,7 у багатому різновиді свіжого субору спостерігається відновна сукцесія до корінного типу лісу. Розвивається підріст та підлісок з листяних видів. Інтенсивність відновлення підросту є нерівномірною і недостатньою за лісогосподарськими нормами, його стан залежить від виду рослин. Найослабленішими є супутники Pinus sylvestris L. - Quercus robur L., Fraxinus excelsior L., Cerasus avium Moench., Betula pendula Roth.

Захисні лісові насадження агроугідь південної околиці м. Черкас (2-9 км) мають незадовільний санітарний стан: 27,3% з них дуже розладнані та всихають, 36,4% - сильно ослаблені, 36,3% - ослаблені. Відпад порід становить 8-59%. ЗЛН уздовж автошляху м. Черкаси - м. Чигирин (0-25 км) ослаблені незалежно від відстані до промзони. Пошкоджуваність аерополютантами ЗЛН і рекреаційно-оздоровчих насаджень менше залежить від просторового їх розміщення щодо джерел забруднення ніж від складу порід. Відносно стійким є Quercus robur L. та його чисті насадження. Зі зниженням участі дуба у складі насадження до 0,5-0,6 од. ЗЛН пошкоджуються більше, ближче 15 км до промзони вони є сильно ослабленими. Менш стійкими є Populus tremula L., Ulmus laevis Pall. і, особливо, Robinia pseudoacacia L. Однорядні тополеві лісові смуги є більш деградованими ніж багаторядні дубові мішані насадження.

АЕРОТЕХНОгеннІ ЗМІНИ розвитку і структури ДЕРЕВОСТАНІВ Черкаського бору та чигиринського соснового масиву

За абсолютними та відносними таксаційними показниками морфометрії стовбура і крони груп дерев різних класів Крафта та категорій стану охарактеризовано трансформацію структури деревостанів ЧБ і ЧСМ внаслідок різного за інтенсивністю аеротехногенного пригнічення росту та розвитку дерев. Відбувається вирівнювання за висотою дерев різних класів розвитку, звуження діапазонів «максимум-мінімум» значень за діаметром і висотою стовбура та за діаметром, площею і довжиною крони, зміна співвідношень груп дерев за розвитком та станом. Найбільші зміни спостерігаються в районі приузлісної (1-2-км) смуги урочища «Сосновка» масиву ЧБ і, особливо, його трансформованого (до повноти деревостанів 0,5-0,6) приміського узлісся. Внаслідок активізації росту у висоту частини дерев ІІІ, IV класів Крафта середній діаметр дерева тут більше знижується, ніж середня висота, тому відношення їх значень (D/H) нижче контрольного. Після переходу деревостану з категорії «ослаблений» до «сильно ослаблений» порушується закономірність щодо зростання значення D/H від IV до I класу Крафта. Зменшується частка крони у висоті дерева: на рівні деревостану з 33 до 29%, домінантів - з 39 до 33%. У результаті пригнічення росту у висоту домінантів (більше) і содомінантів (менше) і активізації росту кращих дерев III (IV) класу Крафта після зрідження деревостанів вибірковими санітарними рубками відбувається поступове вирівнювання за висотою дерев I-III (IV) класів розвитку (рис. 4). Це призводить до зменшення на 1 м товщини кронового шару фотосинтезу деревного намету.

1991 р. 2007 р.

Рис. 4 Розподіл у деревостанах ЧБ виділених за Крафтом (I-IV) груп дерев за середньозваженими діаметром (гістограми) та висотою (графіки)

Асиметричність крон дерев у лісовому масиві ЧБ не має зв'язку ні зі ступенем пошкодження, ні з положенням дерев у деревостані. У середньовікових та пристигаючих насадженнях приузлісної смуги урочища «Сосновка» ЧБ шириною до 6 км розміри крон дерев зменшились: діаметр проекції крони - на 0,8 м, а площа - на 4-5 м². У густіших насадженнях ЧСМ асиметричність крон більше зростає у міру ценотичного обмеження їх розвитку у деревостані, ніж з наближенням до промзони: з I до IV класів Крафта - від 1,12 до 1,90, що є протилежною тенденцією порівняно з контролем. З наближенням до промзони в досліджуваних деревостанах порушується природна відповідність «максимальне дерево - максимальна крона» та зростає кулеподібність форми крон дерев внаслідок пригнічення росту у висоту, особливо домінантів.

Аеротехногенне спрощення структури деревостанів відбувається через накладання двох протилежно спрямованих явищ: 1) зменшення максимальних значень діаметра і висоти дерев і 2) збільшення (але повільніше від попереднього явища) середніх значень діаметра і висоти дерев, які нерівномірно змінюються по екопрофілю. Максимальні значення таксаційних показників швидше зменшуються внаслідок відпаду пошкоджених фітотоксикантами дерев I і II класів Крафта порівняно зі зростанням середніх значень за рахунок відпаду дерев нижньої частини намету. Тобто у міру зростання аеротехногенної деградації соснових деревостанів на значення таксаційних показників все більше впливають не розвинуті особини (які більше пошкоджуються і гинуть), а кращі дерева IIІ і IV класів Крафта, які їх змінюють. В цілому звуження з наближенням до промзони діапазонів розподілу значень «максимум-мінімум» таксаційних показників (діаметра і висоти дерева; довжини, діаметра, площі проекції крони) за рахунок зменшення їх максимальних значень зумовлює збільшення відношення середніх показників до максимальних у пошкодженіших деревостанах. Це свідчить про порушення природної залежності цих біометричних показників від розміру дерев, їхнього класу розвитку.

антропогенна трансформація СТРУКТУРИ трав'яного ПОКРИВУ

Проаналізовано систематичну та екоморфічну структуру, флористичну i фiтоценотичну подібність та часову динаміку значень цих показників трав'яного покриву ЧБ, ЧСМ та ЗЛН за екопрофілями. Встановлено, що комплексне антропогенне навантаження істотно порушує розвиток цих лісових екосистем через зміну екологічних умов та пошкодження рослин. Накладання збільшеного останніми роками рекреаційного впливу на аеротехногенну трансформацію трав'яного покриву приміської частини урочища «Сосновка» ЧБ порушило залежність загальної видової насиченості та флористичної подібності від відстані до промзони. Хоча представництво деяких видів i родин істотно змінилося за останні 16 років, але на цьому етапі антропогенної трансформації встановилась певна рівновага - коли випадіння одних видів компенсується інвазією інших.

Основними рисами рекреаційно-техногенної трансформації трав'яного покриву лісових масивів ЧБ, ЧСМ є: зрідження деревного намету, геліофітизація та ксерофітизація умов лісу, що спричиняє інтенсивне задерніння, рудералізацію трав'яного покриву та пригнічує природне поновлення і розвиток дерев; надходження фітотоксикантів, що містять азот, призводить до активізації поширення рослин-нітрофілів (Geranium robertianum L., Rubus caesius L., Urtica dioica L., Humulus lupulus L.) у міру наближення до джерела забруднення; адвентивні та інші нелісові види витісняють папороті та мохи; внаслідок збільшення кількості та активізації розвитку однорічників, ксерофітів, рудерантів та нітрофілів змінюється співвідношення екоморф, особливо ценоморф, та формується нестійкий лісово-рудеральний комплекс; зі збільшенням рекреаційної дигресії екосистеми зростають індекси біорізноманіття, оскільки збільшується видова різноманітність за рахунок проникнення злаків, лучних видів та бур'янів.

У розладнаних ЗЛН спостерігаються подібні з масивними лісами ЧБ, ЧСМ зміни: ксерофітизація умов, експансія пратантів, рудерантів та адвентивних рослин. Проте, внаслідок лінійної конфігурації і особливостей конструкції в ЗЛН відбувається змішування лісової рослинності з польовими бур'янами і культурними рослинами агроугідь. За рахунок цього видова насиченість, проективне покриття та індекс біорізноманіття Шеннона-Уівера в ЗЛН на 30-40% більше ніж у лісових масивах (рис. 5). Це ускладнює встановлення причинно-наслідкових зв'язків зміни трав'яного покриву ЗЛН.

На другий рік після низових пожеж збільшується задерніння лісових насаджень, що ускладнює природне поновлення лісових видів. Підріст Quercus robur L. пошкоджується вогнем більше ніж види підліску. Краще відновлюються Padus avium Mill., Acer tataricum L., Sambucus nigra L. У трав'яному покриві спочатку заселяються одно- дворічні види-експлеренти Erigeron canadensis L., Senecio vornalis Waldst et Kit, S. jacobаea L., Galinsoga parviflora Cav., Chenopodium album L., Ambrosia artemisifolia L., Polygonum aviculare L.

Рис. 5 Порівняння видової насиченості трав'яного покриву та індексів біорізноманіття фітоценозів лісових масивів ЧБ, ЧСМ і ЗЛН: IBD - індекс біотичної дисперсії Коха (Ю.Н.Нешатаев, 1987)

СТРУКТУРа комплексного впливу людини на лісові екосистеми та СУКЦЕСІЇ лісової рослинності ЧЕРКАСЬКОГО бору

Шляхом ретроспективного і системного аналізів узагальнено наявні результати досліджень антропогенного впливу на лісову рослинність регіону на прикладі ЧБ. Показано розвиток у часі комплексу негативних чинників, зміну структури за видами та інтенсивністю впливу на ліси. Охарактеризовано причинно-наслідкові зв'язки трансформації лісів регіону в межах виділених природної, господарської та господарсько-техногенно-рекреаційної сукцесій рослинності ЧБ. Розроблено структурну модель наслідків комплексного впливу людини на лісовий масив.

Зміна рослинних формацій лісового масиву пройшла кілька стадій формування: природна сукцесія - від корінних переважно дубовo-соснових типів лісу Querceto-Pinetum на початку голоцену через тип Carpineto-Querceto-Pinetum у середньому голоценi до сучасних (починаючи з середини ХХ ст.) чистих сосняків Pinetum з підліском iз Corylus аvellana L., Acer tataricum L. чи без нього та збагаченим трав'яним покривом (Я.П.Дідух та ін., 1987); господарська сукцесія (XVII - середина XX ст.) - заміна природних лісів на монокультури Pinus sylvestris L. (Г.И.Редько и др., 1991) внаслідок економічно орієнтованого ведення лісового господарства; господарсько-техногенно-рекреаційна сукцесія - (середина ХХ ст. - наші часи) - глибока трансформація лісових екосистем, спричинена комплексним впливом чинників: веденням лісового господарства, хронічним промисловим забрудненням (з середини ХХ - до початку ХХІ ст.), надмірним рекреаційним навантаженням та створенням Кременчуцького водосховища і осушенням заплави р. Тясмин наприкінці 1950-х рр., що спричинило порушення гідрологічних умов ландшафту (В.В.Лавров, 1994; О.В.Випирайло, 1994).

Інтенсивність негативного впливу на досліджувані ліси ведення лісового господарства, рекреаційного використання та аеротехногенного забруднення змінювалась у часі, що зумовлювало зміну домінантного чинника та його наслідків. Найбільше вони збігалися, синергічно підсилюючи негативний вплив, у другій половині ХХ ст. У 1980-90-х рр. домінувало забруднення атмосфери фітотоксикантами. Після економічної кризи кінця ХХ ст. стало переважати рекреаційне навантаження, особливо на приміську частину ЧБ. Ведення лісового господарства досі потребує узгодження з природоохоронними вимогами. Внаслідок прямої і опосередкованої дії чинників пошкоджуються і випадають нестійкі види, зріджується деревний намет, що спричиняє деградацію лісових екосистем через зміну екологічних умов лісу і пошкодження структурних елементів екосистеми (рис. 6). Внаслідок комплексного впливу цих чинників упродовж останнiх двох століть, трансформація лісових екосистем ЧБ у наш час відбувається у трьох основних, відмінних за суттю і динамікою, напрямах: 1) змінюються хімічні процеси через забруднення лісового середовища; 2) знижується зімкненість деревостану, що зумовлює зміну освітлення, вологості і температури аеротопу та гідрологічних умов під наметом лісу; 3) порушується гідрологічний режим едатопів, їх фізико-хімічні (В.В.Лавров, 1994) та біологічні (О.В.Випирайло, 1994) властивості.

Рис. 6 Структура та наслідки комплексного впливу людини на лісові екосистеми: -- - прямий вплив; - - - опосередкований вплив

Комплексне антропогенне навантаження істотно порушує стабільність розвитку лісових екосистем ЧБ, веде до перебудови їх структурно-функціональної організації та відхилення напряму розвитку рослинності лісового масиву вiд природного ходу. Структура деревостанів спростилася до біологічно малостійких монокультур Pinus sylvestris L., якi продовжують деградувати, особливо в урочищі «Сосновка» ЧБ. Простiр, що звільнюється при цьому, займають, насамперед, лабiльнiші та пластичнiші трав'янi та кущові ценози нелiсових типiв та перехідних екотонів між екосистемами «ліс» та «агроугіддя», «ліс» та «урбоекосистема».

Майбутні зміни рослинності ЧБ залежатимуть від того, як зміниться структура чинників негативного впливу на ліси, що залежить від їх просторового розміщення відносно джерел екологічних загроз. Якщо посилиться вплив людини, то буде розвиватися господарсько-техногенно-рекреаційна сукцесія, що супроводжуватиметься прискореною деградацією лісових екосистем через низку проміжних стадій (рис. 6). Зниження негативного пресу сприятиме поступовому відновленню максимально стійкого корінного типу лісу - свіжого дубово-соснового субору з двохярусним деревостаном та характерними рослинами-супутниками, що є найбільш бажаним для проектованого національного природного парку «Черкаський бір».

ВИСНОВКИ

У дисертації на ландшафтно-екосистемних, синекологічних засадах наведено характеристику розвитку рослинності та трансформації у просторі і часі лісових екосистем Правобережжя середнього Дніпра в умовах комплексного антропогенного впливу (аеротехногенного забруднення, рекреаційного навантаження та ведення лісового господарства). Запропоновано напрями та способи підвищення стійкості лісових екосистем, удосконалення фітоіндикації аерозабруднення, лісовідновлення, озеленення та збереження біорізноманіття.

1. Основними екологічними загрозами для лісових екосистем Правобережжя середнього Дніпра є промислове забруднення атмосфери фітотоксикантами NH₃+NO_х+SO₂, порушення нормативів рекреаційного використання лісів та недостатньо узгоджене з природоохоронними вимогами ведення лісового господарства.

2. За 1988-2006 рр. промислові викиди аерофітотоксикантів у м. Черкасах зменшились у 2,8 раза внаслідок економічної кризи 90-х років ХХ ст. Проте санітарний стан сосняків регіону погіршився з ослабленого до сильно ослабленого, а зона пошкодження розширилася в урочищі «Сосновка» Черкаського бору з 13 до 19 км від промзони, а в Чигиринському сосновому масиві - з 23 до 47 км. Площа сильно ослаблених насаджень Черкаського бору зросла з 5,8 (1991 р.) до 8,8 тис. га (2007 р.). У приузлісній (0-2 км з боку міста) смузі ЧБ зріджені та пригнічені у розвитку деревостани монокультури Pinus sylvestris L. змінює листяний підріст та густий підлісок.

3. Пошкоджуваність фітотоксикантами листяних рекреаційно-оздоровчих та захисних лісових насаджень на відстані до 25 км на південний схід від промзони м. Черкас менша, ніж сосняків ЧБ і ЧСМ. Вона менше залежить від просторового розміщення відносно джерел забруднення, ніж від складу порід: 27,3% з них усихають (до 3 км від промзони), 36,4% - сильно ослаблені (до 14 км), 36,3% - ослаблені. Відносно стійкими є Quercus robur L., Fraxinus excelsior L., F. lanceolata Borkh., Morus alba L., Catalpa bignonioides Walt. Найбільше пошкодженими є Populus simonii Carr., P. nigra L., Ulmus laevis Pall., Robinia pseudoacacia L. У розладнаних лісових смугах інтенсивніше ніж у лісових масивах відбувається ксерофітизація, експансія пратантів, рудерантів та адвентивних рослин.

4. Урочище «Сосновка» ЧБ має 2-3 стадію рекреаційної дигресії, яка зростає (r=-0,65) з віком деревостанів та наближенням до міста внаслідок збільшення: витоптаної площі (r=-0,68); кількості механічних пошкоджень дерев (r=-0,88); індексу стану деревостанів (r=-0,68). На другий рік після низових пожеж збільшується задерніння одно- дворічними видами-експлерентами лісових насаджень, що ускладнює природне поновлення лісових видів. Підріст Quercus robur L. пошкоджується вогнем більше ніж види підліску.

5. Аеротехногенне забруднення та рекреаційне навантаження спричиняють трансформацію структури соснових деревостанів ЧБ і ЧСМ: зміну домінантів у наметі; звуження діапазонів розподілу значень «максимум-мінімум» за діаметром і висотою стовбура, морфометричними показниками крони дерев; звуження на 1 м товщини кронового шару фотосинтезу деревного намету; зростання кулеподібності форми крон дерев І, ІІ класів Крафта внаслідок пригнічення їх росту у висоту; зміну співвідношень груп дерев за розвитком та станом. У мiру аеротехногенної деградацiї деревостанiв значення середнього дiаметру дерев все бiльше зумовлюється не розвинутішими особинами I та II класiв Крафта, які більше пошкоджуються і відпадають, а кращими деревами III i IV класiв, якi, активізуючи приріст, поступово змiнюють дерева перших двох груп.

6. Пригнічення у трансформованих деревостанах Черкаського бору розвитку домінантів, їх відпад та звуження діапазону розподілу дерев за діаметром та висотою стовбура і за розмірами крони зумовлює зростання значень відношення середнє/максимальне відповідних показників характеристики дерев.

7. Техногенне зрідження деревного намету лісових насаджень ЧБ і ЧСМ (геліофітизація та ксерофітизація) спричиняє зміну флористично-ценотичної структури трав'яного покриву: знижується кількість видів папоротей та мохів, змінюється співвідношення екоморф (збільшується кількість та розвиток однорічників, ксерофітів, рудерантів). Внаслідок евтрофікації ґрунтів техногенним азотом інтенсивно розвиваються нітрофіли до 2 км вглиб лісових масивів та у ЗЛН у радіусі 0-9 км.

8. Розповсюдження та пошкодження епіфітного лишайника Hypogymnia physodes (L.) Nyl. відображають наявнiсть хронiчного впливу на сосновi ліси середніх концентрацій диоксиду сірки на фонi забруднення довкілля Черкас комплексом аерофітотоксикантів NH₃+NO_х+SO₂. Ліхеноіндикаційно встановлені зони забруднення лісів співпадають із зонами санітарного стану деревостанів.

9. У пошкоджених сосняках надзаплавної тераси Черкаського бору відбувається постантропогенна сукцесія у напрямі відновлення корінного типу лісу - свіжого дубово-соснового субору з двохярусним деревостаном, яку гальмує рекреаційний вплив. Подальші зміни рослинних асоціацій ЧБ відбуватимуться за різними сценаріями, залежно від просторового розміщення лісових насаджень відносно міста, промзони, рік Дніпра, Тясмина, Ірдинки, що спричиняє різні зміни екологічних умов та відповідну трансформацію структури фітоценозів, аж до їх заміни нелісовими типами чи деградації.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

Оскільки стійкість лісових екосистем зумовлюється відповідністю фітоценозу певному екотопу, листяні види є стійкішими до забруднення повітря і пожеж, ніж хвойні, у свіжих суборових едатопах зони впливу Черкаської промагломерації необхідно сприяти природному поновленню та лісокультурному відновленню складних за структурою різновікових корінних типів деревостанів, у яких Quercus robur L. та інші листяні породи формують другий ярус, а перший - Pinus sylvestris L. Для захисту довкілля від забруднених атмосферних мас та при створенні буферних узлісь перед вразливими об'єктами природно-заповідного фонду чи інших лісових насаджень доцільно створювати щільні листяні деревостани із стійких видів. Слід використовувати асортимент деревних порід, розроблений з урахуванням їхньої стійкості до аеротехногенного забруднення, відповідно до «Методичних рекомендацій щодо підвищення стійкості до аеротехногенного забруднення лісових насаджень Правобережжя середнього Придніпров'я» (В.В.Лавров, Н.В.Мірошник, О.Ф.Гончар, 2010).

При удосконаленні лісогосподарських заходів у лісах різного функціонального призначення необхідно враховувати породний склад та санітарний стан деревостанів, а також виділені у зазначених рекомендаціях зони аеротехногенної трансформації лісових екосистем. Ефективним експрес-методом уточнення просторових меж хронічного забруднення SO₂ на фоні промислових викидів NH₃+NO_х+SO₂ є система запропонованих показників розповсюдження та пошкодження лишайника Hypogymnia physodes (L.) Nyl.: поширеність на субстратах, максимальна висота підняття епіфіта по стовбуру, частка пошкоджених таломів, iндекси середньозваженого вкриття стовбурiв лишайником та чистоти повітря.

Результати досліджень доцільно використовувати при проведенні екологічного моніторингу, написанні флористичних зведень, дослідженнях біорізноманіття лісових екосистем, розбудові екомережі Правобережжя Центрального Придніпров'я. Це сприятиме збереженню Черкаського бору, інших лісів регіону, а також збереженню біотичного та ландшафтного різноманіття.

СПИСОК ОпубліковаНИХ праць ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Блінкова О.І. Порівняльна характеристика стану трав'яного покриву дубових лісів Андуського водозбору Криму та соснових лісів Черкаського бору в умовах антропогенного впливу / О.І.Блінкова, Н.В.Мірошник // Науковий Вісник Львівського нац. ун-ту ветеринарної медицини та біотехнологій ім. С.З.Гжицького.Львів, 2008.Т. 10, №4 (39). С. 17-24 (збирання та аналіз польового матеріалу щодо Черкаського бору, узагальнення результатів, участь у написанні).