close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Продуктивность ассимиляционного аппарата деревьев вблизи медеплавильных заводов Урала

код для вставкиСкачать
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
Продуктивность ассимиляционного аппарата
деревьев вблизи медеплавильных заводов Урала*
В. А. Усольцев, д.с-х.н., профессор, А. В. Борников,
аспирант, А.С. Жанабаева, аспирантка, Уральский ГЛТУ;
Е.Л. Воробейчик, д.б.н., ИЭРиЖ; А.И. Колтунова, д.с-х.н.,
профессор, Оренбургский ГАУ
естественных насаждений к северу от КМК и
тёмнохвойных естественных насаждений к западу
от СУМЗ. В основу нашего исследования положен метод пробных площадей, заложенных согласно требованиям ОСТ 56-60-83. Вокруг КМК
естественные насаждения в радиусе трёх-четырёх
километров погибли, чего не наблюдается вокруг СУМЗ. Таксационная характеристика пробных площадей приведена в таблице 1.
Наряду с традиционной таксацией древостоев на каждой пробной площади выполнены
определения их фитомассы и первичной продукции (табл. 2). Для этого взято по шесть-семь
модельных деревьев каждой древесной породы в
пределах варьирования их диаметров на пробной
площади по методике, изложенной ранее [1].
Общее количество модельных деревьев сосны – 42, берёзы – 56, ели – 34 и пихты – 32.
Показатели фитомассы нижнего яруса (подроста и подлеска) определены с использованием
методики БИН [2]. Кроме того, у модельных
деревьев были измерены в четырёх направлениях
на выпилах, взятых на высоте 1,3 м, годичные
радиальные приросты древесины, средние за
последние пять лет, а также общие приросты
заболони и диаметры без коры. На их основе
Обширные пространства фоновой среды
Урала в сочетании с наличием крупных длительно действующих источников промышленных
загрязнений дают уникальную возможность
заниматься экспериментальными работами с целыми экосистемами на уровне территориальных
комплексов. На Урале одним из наиболее интенсивных источников токсичных выбросов (главным образом, это соединения серы и тяжёлые
металлы) в атмосферу является медеплавильное
производство, в частности, Карабашский медеплавильный комбинат (КМК) в Челябинской
области и Среднеуральский медеплавильный
завод (СУМЗ) в Свердловской области. Градиент
загрязнений около КМК выражен в большей
степени по сравнению с СУМЗ, а окружающие
его территории представляют один из наиболее
загрязнённых участков планеты.
Объекты и методы исследования. Исследования выполнены в подзоне южной тайги Урала
в градиентах загрязнений сосновых и берёзовых
1. Таксационная характеристика сосновых, берёзовых и елово-пихтовых насаждений
в градиентах загрязнений от КМК и СУМЗ
L*,
км
Породный
состав
Возраст,
лет
4,2
6,6
8,3
9,5
13,8
32,0
7С3Б+Ос
8С1Б1Ос
8C1Б1Лц
7С3Б
10С+Б
8С2Б
80
80
80
70
80
80
3,8
4,8
8,5
9,1
13,1
17,5
31,0
10Б+С
9Б1С
10Б+С+E
10Б+С
10Б+С
7Б2С1Ос
10Б+Лп
50
45
40
45
50
50
40
1,0
2,0
4,0
7,0
30,0
4Е3П2Б1C
4Е4П1Б1Ос
6Е3П1Б+Ос
2Е5П3Б+Ос
3Е6П1Б
74
86
114
90
100
Класс
бонитета
Средняя
высота, м
Средний
диаметр, см
Сосновые древостои (КМК)
26,9
20,6
III
28,4
19,8
III
23,8
19,5
III
28,4
18,6
II
27,7
20,6
II
28,5
20,3
II
Берёзовые древостои (КМК)
14,2
IV
15,3
III
14,1
13,7
III
14,9
15,0
III
15,1
15,1
II
21,5
19,5
III
21,0
17,8
III
17,9
16,0
Елово-пихтовые древостои (СУМЗ)
IV
13,7
14,3
IV
16,0
15,0
III
22,6
23,0
III
21,4
22,3
III
22,3
22,7
Число
стволов,
экз./га
Площадь
сечений,
м2/га
Запас
древостоя,
м3/га
392
440
560
434
591
600
16,0
26,3
25,6
27,2
32,5
35,0
158
255
240
266
310
339
1072
1178
1239
1217
740
796
856
19,4
17,6
21,8
21,6
26,6
25,6
22,2
151
134
168
166
233
225
187
1365
1997
1181
1102
1056
21,2
34,7
42,1
43,1
42,7
149
262
388
386
386
* Примечание: L – здесь и далее расстояние от источника загрязнений.
________________________
* Работа поддержана РФФИ, грант № 09-05-00508, а также Программой Президиума РАН «Биологическое разнообразие» (проект 09-П-4-1031).
67
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
рассчитаны годичный прирост площади сечения
(Zg) и площадь заболони (Gz) ствола на высоте
1,3 м. У рассеянно-поровой берёзы заболонь
представлена всем сечением ствола.
Результаты и их анализ. Установлено, что как
общий запас сосновых насаждений, так и их
надземная фитомасса статистически значимо
(t05) возрастают по мере удаления от источника
загрязнений. Запас стволовой древесины березняков в градиенте загрязнений возрастает с 134–151
м3/га на удалении четырёх-пяти километров до
225–233 м3/га на удалении 13–18 км и несколько
ниже на контроле – 187 м3/га (табл. 2). Объяснить
это можно естественным варьированием морфоструктуры березняков на исследуемой территории,
но не снижением уровня загрязнений на расстоянии 31 км от КМК. Аналогичная ситуация
у берёзы с изменением её надземной фитомассы.
В елово-пихтовых насаждениях как общий запас древостоев, так и их надземная фитомасса
возрастают по мере удаления от источника загрязнений на расстояние до четырёх километров,
а при дальнейшем удалении стабилизируются.
Поскольку закономерности снижения биопродуктивности насаждений в градиентах загрязнений
в значительной степени искажаются варьированием их морфоструктуры, мы попытались вычленить
изменения фитомассы с расстоянием до источника загрязнений путём сравнения равновеликих
деревьев, используя аллометрическое уравнение:
(1)
ln(Pi) = a0 +a1 ln(D) +a2 ln(L),
где Pi – фитомасса дерева (хвоя или листва, ветви, ствол) в абсолютно сухом состоянии, кг;
D – диаметр ствола на высоте 1,3 м в коре, см.
Установлено, что коэффициент детерминации
для фракций фитомассы кроны варьирует от 0,90
до 0,95 при соответственно высокой значимости
диаметра ствола как независимой переменной.
Однако константа a2 при переменной ln(L) статистически значима лишь для массы крон берёзы:
tфакт = 2,6 > t05 = 2,0 для листвы и tфакт = 2,3>
t05 = 2,0 для ветвей, а для деревьев трёх хвойных
пород константа a2 оказалась статистически не
достоверной: tфакт варьирует от 1,15 до 1,97.
Поскольку константа a2 имеет знак «минус»,
это означает, что у деревьев сосны, ели и пихты
одного и того же диаметра по мере удаления
от источника загрязнений масса хвои и ветвей
имеет тенденцию к снижению, хотя и на уровне
t01, что соответствует известной у многих пород
закономерности снижения плотности охвоения (облиствения) побегов в кроне по мере удаления от источника загрязнений [3]. С другой
стороны, известна противоположная закономерность: снижение охвоенности крон деревьев по
мере приближения к источнику загрязнений
[4, 5]. Таким образом, в градиентах загрязнений
(в том числе и на наших объектах) могут накладываться одна на другую две противоположные тенденции: с одной стороны, охвоенность
деревьев по мере приближения к источнику
загрязнений может увеличиваться, а с другой
стороны – снижаться.
Одним из наиболее информативных количественных показателей при оценке повреждающего воздействия загрязнений на деревья
является продуктивность ассимиляционного
аппарата дерева, выраженная отношением
2. Показатели надземной фитомассы и первичной продукции сосновых, берёзовых
и елово-пихтовых древостоев в градиентах загрязнений от КМК и СУМЗ
L, км
ствол
4,2
6,6
8,3
9,5
13,8
32,0
91,6
147,2
120,2
161,9
204,6
216,4
3,8
4,8
8,5
9,1
13,1
17,5
31,0
88,5
74,0
98,9
106,2
154,3
142,6
119,6
1,0
2,0
4,0
7,0
30,0
62,8
106,2
139,7
156,5
149, 9
Фитомасса фракций, т/га
Первичная годичная продукция, т/га
основной нижний
основной нижний
ствол
ветви
хвоя
ветви
хвоя
ярус
ярус
ярус
ярус
Сосновые древостои (КМК)
0,002
1,688
0,672
0,192
0,824
0,009
108,0
3,93
12,4
0,003
2,138
0,684
0,290
1,164
0,018
162,8
3,85
11,8
0,076
2,680
1,060
0,344
1,276
0,756
138,2
5,26
12,8
0,077
1,804
0,578
0,273
0,953
0,729
181,9
3,26
16,8
0,043
4,977
1,684
0,574
2,719
0,390
231,1
9,23
17,3
0,081
4,712
1,490
0,458
2,764
0,772
243,9
7,55
20,0
Берёзовые древостои (КМК)
0,003
2,813
1,580
0,260
0,973
0,018
97,9
1,64
7,80
0,003
3,075
1,790
0,310
0,975
0,009
82,1
2,10
6,00
0,077
4,357
2,100
0,680
1,577
0,729
110,6
2,55
9,17
0,086
4,286
2,114
0,630
1,542
0,861
119,2
2,14
10,8
0,043
4,778
2,080
0,830
1,868
0,390
172,3
2,09
15,9
0,036
4,402
2,110
0,710
1,582
0,399
163,2
3,48
17,1
0,081
5,364
2,820
0,560
1,984
0,772
135,4
2,84
13,0
Елово-пихтовые древостои (СУМЗ)
18,0
11,9
92,7
3,40
1,606
0,441
2,164
4,211
0,170
23,7
15,0
144,9
5,60
2,782
0,743
2,265
5,790
0,852
21,4
14,1
175,3
3,36
2,767
0,535
3,100
6,402
0,238
28,1
21,0
205,6
1,90
4,007
0,817
4,432
9,256
0,207
25,4
12,2
187,5
2,20
2,579
0,792
3,116
6,487
0,910
68
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
3. Изменение продуктивности хвои деревьев сосны обыкновенной разного
возраста в связи с удалением от КМК
L,
км
4
6
8
12
20
30
40
3,55
3,81
4,01
4,30
4,70
5,05
Продуктивность хвои Zg/Pf (см2/кг)
при возрасте дерева, лет
60
80
100
1,68
2,02
2,55
1,81
2,17
2,74
1,90
2,28
2,88
2,04
2,45
3,09
2,23
2,68
3,38
2,40
2,87
3,63
120
1,45
1,56
1,64
1,76
1,92
2,07
40
0,255
0,271
0,283
0,301
0,324
0,345
Продуктивность хвои Zg/Gz (см2/см2)
при возрасте дерева, лет
60
80
100
0,121
0,145
0,184
0,129
0,154
0,195
0,135
0,161
0,204
0,143
0,171
0,216
0,154
0,185
0,234
0,164
0,196
0,248
120
0,105
0,111
0,116
0,123
0,133
0,141
4. Изменение продуктивности листвы деревьев берёзы разного возраста
в связи с удалением от КМК
L, км
4
6
8
12
20
30
Продуктивность листвы Zg/Pf (см2/кг)
при возрасте дерева, лет
30
40
50
70
3,26
5,55
7,90
12,44
3,42
5,81
8,26
13,01
3,53
6,00
8,53
13,44
3,69
6,28
8,93
14,06
3,91
6,64
9,45
14,88
4,09
6,95
9,89
15,57
90
2,20
2,30
2,37
2,48
2,63
2,75
Продуктивность листвы Zg/Gz (см2/см2)
при возрасте дерева, лет
30
40
50
70
90
0,039
0,050
0,068
0,083
0,108
0,042
0,053
0,073
0,089
0,117
0,045
0,056
0,077
0,094
0,123
0,048
0,061
0,083
0,102
0,132
0,053
0,067
0,091
0,111
0,145
0,057
0,072
0,098
0,120
0,156
5. Изменение продуктивности хвои деревьев ели и пихты разного возраста
в связи с удалением от СУМЗ
L, км
40
Продуктивность хвои Zg/Pf (см2/кг)
при возрасте дерева, лет
60
80
120
1
2
4
7
30
0,716
0,831
0,963
1,086
1,481
0,482
0,558
0,648
0,730
0,996
0,363
0,421
0,489
0,551
0,751
0,244
0,283
0,328
0,370
0,505
1
2
4
7
30
0,678
0,740
0,807
0,866
1,040
0,513
0,559
0,610
0,655
0,787
0,421
0,459
0,501
0,537
0,645
0,318
0,347
0,379
0,406
0,488
160
Ель
0,184
0,214
0,248
0,279
0,381
Пихта
0,261
0,285
0,311
0,333
0,400
годичного прироста фитомассы к массе хвои.
Например, в условиях Литвы было установлено,
что по мере приближения к заводу азотных удобрений в Йонаве с расстояния 15 км (контроль,
отсутствие визуальных признаков деградации) до
8 км продуктивность хвои сосны, выраженная
отношением объёмного прироста ствола к массе
хвои (Zv /Pf), снижается на 30% [6].
Мы модифицировали упомянутый подход
в двух вариантах. Согласно первому из них,
вместо объёмного прироста использован менее
трудоёмкий показатель, получаемый непосредственным измерением, – годичный прирост
площади сечения, средний за последние пять
лет (Zg), и прослежено изменение в градиенте
загрязнений относительного показателя Zg /Pf.
За основу второго варианта приняли пайпмодель [7], которая была нами модифицирована.
Было установлено [8], что пайп-модель описы-
Продуктивность хвои Zg/Gz (см2/см2)
при возрасте дерева, лет
40
60
80
120
160
0,117
0,154
0,205
0,257
0,463
0,084
0,112
0,148
0,185
0,334
0,067
0,089
0,117
0,147
0,265
0,048
0,064
0,085
0,106
0,191
0,038
0,051
0,067
0,084
0,152
0,155
0,188
0,228
0,266
0,400
0,097
0,118
0,143
0,167
0,250
0,069
0,084
0,102
0,119
0,179
0,043
0,053
0,064
0,075
0,112
0,031
0,038
0,046
0,054
0,080
вает лишь потенциальную продуктивность хвои,
опосредованную площадью сечения водопроводящей заболони, а реализация этой потенции
определяется при прочих равных условиях количеством отложенных в дереве ассимилятов. Таким
образом, для корректной оценки продуктивности
хвои необходимо учитывать оба определяющих
фактора, т.е. площадь сечения заболони (Gz)
как характеристику ксилемного транспорта и
годичный прирост площади сечения ствола на
высоте груди (Zg) как характеристику флоэмного
транспорта. Продуктивность хвои оценивается в
этом случае косвенным путём по соотношению
Zg /Gz: чем больше годичный прирост ствола при
одной и той же площади сечения заболони, тем
выше продуктивность хвои.
Таким образом, мы используем в качестве
диагностического показателя степени загрязнений не массу хвои дерева, а относительные по69
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
казатели продуктивности хвои – прямой (Zg /Pf)
и косвенный (Zg /Gz).
По совокупности взятых модельных деревьев
рассчитаны двухфакторные регрессии:
ln (Zg /Pf) или ln (Zg /Gz) =
(2)
= a0 + a1lnА + a2 lnL,
где Zg – годичный прирост площади сечения
ствола на высоте 1,3 м (см2), средний за
последние 5 лет;
Gz – площадь сечения заболони ствола (см2)
на высоте 1,3 м;
Pf – масса хвои (листвы) дерева, кг;
А – возраст дерева, лет.
Хотя коэффициенты детерминации уравнений (2) в среднем ниже, чем уравнений (1), однако значимость всех констант в (2) характеризуется
значениями критерия Стьюдента в пределах от
2,4 до 9,7, что выше табличного значения 2,0.
Табулирование уравнений (2) по задаваемым
значениям возраста дерева и удаления от источника загрязнений показало (табл. 3–5), что
по мере приближения к источнику загрязнений
продуктивность хвои (листвы) на статистически
достоверном уровне снижается как по прямому,
так и по косвенному её показателям.
Нами установлена статистически достоверная
закономерность снижения продуктивности хвои
по мере приближения к КМК и СУМЗ. Эта
закономерность в градиенте загрязнения носит
нелинейный характер: по показателю Zg/Pf в
импактной зоне КМК (удаление от 4 до 6 км)
снижение продуктивности хвои у сосны на 1 км
расстояния составляет 3,4%, в буферной зоне (от
8 до 12 км) – соответственно 1,7% и в градиенте
от буферной зоны до контроля (от 12 до 30 км) –
соответственно 0,8%. У берёзы названные изменения несколько ниже – соответственно 2,2;
1,1 и 0,5%. Снижение продуктивности хвои ели
в импактной зоне СУМЗ (удаление от 1 до 2 км)
на 1 км расстояния составляет 14%, в буферной
зоне (от 4 до 7 км) – 4% и в градиенте от буфер-
ной зоны до контроля (от 7 до 30 км) – соответственно 1%. У пихты названные изменения
существенно ниже – соответственно 8,2 и 0,7%.
По показателю Z g /G z соответствующие
значения составляют у сосны 3,0; 1,5 и 0,7%,
у берёзы – 3,8; 1,7 и 0,85, у ели – 24,7 и 2%
и у пихты – 18,5 и 1,4%. При использовании
показателя Zg /Gz для количественной оценки
снижения продуктивности хвои (листвы) в градиентах загрязнений не требуется определения
ее фитомассы у модельных деревьев на пробных
площадях, а достаточно получить необходимое
количество кернов у растущих деревьев, по
ним рассчитать дендрометрические показатели, характеризующие ксилемный и флоэмный
транспорт дерева, и по соотношению последних
дать количественную характеристику снижения
продуктивности ассимиляционного аппарата
той или иной древесной породы в градиенте
промышленных загрязнений.
Литература
1. Усольцев В.А. Биологическая продуктивность лесов Северной Евразии: методы, база данных и ее приложения.
Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 637 с.
2. Методы изучения лесных сообществ / под ред. В.Т. Ярмишко
и И.В. Лянгузовой. СПб.: НИИХимии СПбГУ, 2002. 240 с.
3. Ярмишко В.Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. СПб.: НИИХимии СПбГУ,
1997. 210 с.
4. Сидаравичюс Й. М. Анализ фитомассы и морфоструктуры
крон сосновых древостоев при атмосферном загрязнении
природной среды // Исследование и моделирование роста
лесных насаждений, произрастающих в условиях загрязненной природной среды: сб. науч. тр. Каунас: ЛитСХА, 1987.
С. 45–55.
5. Brassel P., Schwyzer A. Ergebnisse der Waldschadeninventur 1992
// Sanasilva – Waldschadenbericht 1992. Bern und Birmensdorf:
WSL, 1992. S. 7–18.
6. Сидаравичюс Й. М. Изменение биологической продуктивности деревьев при различном уровне атмосферного
загрязнения // Закономерности роста и производительности
древостоев. Каунас: ЛитСХА, 1985. С. 228–230.
7. Shinozaki K., Yoda K., Hozumi K., Kira T. A quantitative analysis
of plant form – the pipe model theory // Jap. J. Ecol. 1964.
Vol. 14, No. 3.-1: Basic analysis. P. 97-105; No. 4.-2: Further
evidence of the theory and its application in forest ecology.
P. 133–139.
8. Усольцев В.А. Формирование банков данных о фитомассе
лесов. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 541 с.
70
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
182 Кб
Теги
урала, медеплавильных, деревьев, аппарата, заводов, вблизи, ассимиляционной, продуктивность
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа