Некоторые аспекты мониторинга сосновых лесов в экстремальных условиях Кольского Севера

Полный текст

Введение

Среди глобальных проблем современного мира важнейшее место занимает экологическое состояние окружающей среды. Неблагоприятные условия окружающей среды вызывают заметные отклонения у лесных экосистем: от нарушения морфологических параметров, виталитетной структуры до нарушения отдельных функций всей системы и ее отдельных компонентов [1–8]. Нарушения эти нетрудно заметить при сравнительном анализе нарушенных и ненарушенных лесных сообществ [9–12].

При проведении мониторинга хвойных лесов на Кольском Севере одним из основных критериев оценки жизненного состояния деревьев и древостоев является характер развития их ассимиляционного аппарата. Исследования, проведенные на территории Мурманской области в районах хронического загрязнения окружающей среды SO₂ в сочетании с тяжелыми металлами (Cu, Ni, Co), выявили целый ряд отклонений в состоянии деревьев и древостоев Pinus sylvestris L.: от дехромации хвои, сокращения продолжительности ее жизни до повреждения крон и частичного или полного усыхания особей [13; 3; 14–16].

Цель настоящей работы состояла в детальном анализе процессов, происходящих в восстанавливающихся после внешних нарушений лесных сообществах Pinus sylvestris. В задачи исследований также входила оценка возможности использования хвои сосны обыкновенной в качестве индикатора состояния лесных сообществ на Кольском Севере.

Объекты и методика исследований

В центральной части Кольского полуострова (рис. 1) с 1939 г. осуществляется производство цветных металлов комбинатом «Североникель» [17]. Наибольшее количество аэротехногенных выбросов в окружающую среду было отмечено в период с 1973 по 1992 гг. (рис. 2): 230 тыс. т/год SO₂ и 16 тыс. т/год мелкодисперсной полиметаллической пыли, содержащей смесь сульфидов и оксидов тяжелых металлов (Ni Cu). Затем наблюдалось последовательное снижение выбросов, в результате к концу XX века произошло 3–6-кратное сокращение объемов загрязняющих веществ по сравнению с их максимальными величинами. С начала 2000-х гг. ежегодный объем выбросов оставался относительно стабильным и составлял в среднем 40 тыс. т SO₂ и 5,2 тыс. т твердых веществ [18].

Исследования средневозрастных лишайниково-зеленомошных сосновых лесов проводятся нами с 1982 г. Постоянные пробные площади размером до 0,25 га, заложены в лесных сообществах, расположенных на различном расстоянии от комбината «Североникель», и сосредоточены в пределах трех зон: фоновой, буферной и импактной. Краткая характеристика исследованных лесных сообществ Pinus sylvestris на ключевых участках приведена в табл. 1.

 

Рисунок 1 – Схема размещения постоянных пробных площадей в сосновых лесах на Кольском полуострове. Основные районы исследований: 1 – Ливский, 2 – Мавринский, 3 – Ено-Ковдорский, 4 – Уполокшский, 5 – Ловозерский, 6– Чунозерский, 7 – Мончегорский (штриховкой показаны водные поверхности)

 

В напочвенном покрове доминирующими видами в травяно-кустарничковом ярусе являются: Vaccinium myrtillus L., V. vitis-idaea L., Empetrum hermaphroditum Hagerup. Мохово-лишайниковый ярус формируют лишайники рода Cladonia (Cl. stellaris (Opiz.) Brodo; Cl. rangiferina (L.) Nyl., Cl. mitis (Sandst.) Hustich, а среди мхов чаще всего встречаются Pohlia nutans и Hepaticae spp.

На каждой ППП выполнен сплошной перечет деревьев; измерены и описаны кроны, оценено их состояния; определен возраст хвои и отобраны образцы ее для лабораторных исследований на предмет оценки степени повреждения; определено жизненное состояние всех особей Pinus sylvestris, входящих в состав древесного яруса [19; 3; 12; 6]. Для определения возраста и анализа радиального прироста древесины у модельных деревьев отбирали образцы древесины (керны) буравом Пресслера или спилы ствола. Количество и ширину годичных колец подсчитывали на приборе Лентаб-6 (Германия).

Продолжительность жизни хвои P. sylvestris определялась у 100–120 особей в верхней (8–10 мутовка) и нижней (18–20 мутовка) частях кроны с южной стороны на 3–5 побегах II порядка ветвления. Оценка площади повреждения хвои хлорозами и некрозами выполнена на основе анализа 100 пар хвоинок с помощью бинокулярной лупы типа МБС-9, отобранных с побегов II порядка ветвления у 5–7 деревьев (смешанный образец) на каждой пробной площади [3; 6].

Характеристики живого напочвенного покрова исследуемых лесных сообществ определялись на постоянных учетных площадках (20–25 шт. на ППП) размером 1 × 1 м [12].

Статистическую обработку данных проводили методами дисперсионного и регрессионного анализов [20].

 

Рисунок 2 – Динамика атмосферных выбросов SO₂ (А), твердых веществ и Ni, Cu (B) (по данным [18])

 

Таблица 1 – Краткая таксационная характеристика исследуемых лишайниково-зеленомошных сосновых лесов III–IV классов возраста на постоянных пробных площадях на Кольском полуострове

№№ п/п	Место расположения ППП, координаты	Высота над уровнем моря, м	Экспозиция склона; уклон склона, °	Расстояние до источника, км загрязнения	Состав древостоя	Средние таксационные характеристики древостоев					Класс бонитета
						Высота, м	Диаметр, см	Возраст, лет	Количество деревьев, шт./га	Запас древесины, м³/га
Фоновая зона
1	67°33,227′ с.ш., 31°04,751′ в.д.	180	ЮЗ; 3°	70	10 С	8,5	10,1	50	1750	22,3	V
2	67°35,356′ с.ш., 31°39,159′ в.д.	161	ЮЗ; 2–3°	60	10 С	8,0	8,3	60	5273	47,5	V
Буферная зона
3	67°38,168′ с.ш., 32°42,234′ в.д.	177	ЮЗ; 5°	35	10 С	8,1	7,9	70	1852	32,0	V
Импактная зона
4	67°49,216′ с.ш., 32°46,447′ в.д.	175	ЮЗ; 4°	8	10 С	3,2	3,4	60	5300	10,1	V-а
5	68°00,384′ с.ш., 32°55,540′ в.д.	198	ЮЗ; 10°	10	10 С, Ед. Б	4,3	5,1	70	5450	21,8	V-а

 

Результаты исследований и их обсуждение

В ненарушенных сосновых лесах на Кольском Севере в органогенном горизонте Al-Fe-гумусовых подзолистых почв содержание подвижных форм Ni и Cu составляет в среднем 10 мг/кг (рис. 3). Эти концентрации тяжелых металлов были приняты нами за фоновое содержание [6]. В 1–4-летней хвое P. sylvestris и листьях доминантных видов кустарничков за исследованный период содержание этих загрязнителей изменялось в пределах: Ni – с 16,1 до 1,5 мг/кг и Cu – с 11,7 до 2,5 мг/кг абсолютно сухого вещества. Эти величины находятся в интервале региональных фоновых концентраций и соответствуют нормальному содержанию этих элементов в растениях [21; 2; 22–24].

 

Рисунок 3 – Погодичная динамика содержания Ni и Cu в 1–4-летней хвое Pinus sylvestris в фоновом районе (А), буферной (Б) и импактной (В) зонах

 

Длина, ширина, толщина хвои разного возраста сосны обыкновенной и ее масса тесно взаимосвязаны (r = 0,80, p < 0,05) как в начале наших исследований, так и в настоящее время. В ряде случаев отмечены достоверные различия в линейных размерах и массе хвои сосны по мере приближения к источнику загрязнения, но взаимосвязь этого показателя с уровнем загрязнения местообитания отсутствует [3; 25].

Неоднократные детальные обследования поверхности хвоинок разного возраста в фоновых районах позволили установить, что показатели жизненного состояния хвои достоверно не различались в исследованные периоды времени. В этих условиях лишь небольшая часть (не более 5%) хвои сосны имела хлорозы и отдельные точки в виде некрозов, которые занимали площадь менее 5% от общей поверхности (табл. 2). На хвое 5–7-летнего возраста площадь визуально наблюдаемых изменений цвета хвои иногда достигала 20% поверхности, что обусловлено, по-видимому, возрастными изменениями ассимиляционных органов данного вида.

В пределах буферной зоны в начале исследований лишь 64% 1-летней хвои было отнесено к категории здоровой, более 30% хвоинок имели следы повреждения хлорозами и некрозами, однако площадь этих повреждений не превышала 5% от общей поверхности (табл. 2, [3; 25]). С увеличением возраста хвои уменьшалась доля здоровой хвои и возрастала площадь повреждений: так, 50% 4-летней хвои было покрыто хлорозами и некрозами, занимающими площадь до 10% поверхности; незначительная часть хвои (2–3%) имела некрозы в виде точек красно-коричневого цвета, количество здоровой хвои не превышало 10%. В 2014 г. основная часть (93–98%) однолетней хвои P. sylvestris не имела следов изменения повреждений (табл. 2). Пятнистые хлорозы и точечные некрозы, занимающих до 5% поверхности, встречались только у незначительной части (6–7%) хвои 1–3-летнего возраста. Доля здоровой хвои 4-летнего возраста составляла 78%, остальная хвоя имела повреждения хлорозами и некрозами, но их площадь в большинстве случаев не превышала 5%.

 

Таблица 2 – Интенсивность повреждения хвои Pinus sylvestris хлорозами и некрозами в условиях разного уровня аэротехногенного загрязнения (в числителе данные 1988 г., в знаменателе – 2014 г.)

Площадь повреждения, %	Доля хвои 1–4-летнего возраста, %
	1-летней	2-летней	3-летней	4-летней
Фоновый район
<1	100 / 98	100 / 95	98 / 96	96 / 91
1–5	– / –	– / 5	2 / 2	4 / 7
6–10	– / –	– / –	– / –	– / 2
11–25	– / 1	– / –	– / –	– / –
26–50	– / 1	– / –	– / 2	– / –
51–75	– / –	– / –	– / –	– / –
>76	– / –	– / –	– / –	– / –
Буферная зона
<1	66 / 98	17 / 93	10 / 94	– / 78
1–5	31 / 1	56 / 6	56 / 6	10 / –
6–10	3 / –	17 / –	16 / –	50 / 18
11–25	– / –	9 / –	16 / –	32 / –
26–50	– / 1	1 / –	2 / –	8 / 2
51–75	– / –	– / 1	– / –	– / –
>76	– / –	– / –	– / –	– / 2
Импактная зона
<1	25 / 74	– / 55	– / 12	– / 3
1–5	37 / 23	6 / 27	– / 49	– / 52
6–10	17 / 3	21 / 13	27 / 32	– / 34
11–25	12 / –	38 / 5	36 / 7	– / 3
26–50	9 / –	19 / –	20 / –	– / 2
51–75	– / –	3 / –	7 / –	– / 3
>76	– / –	13 / –	10 / –	– / 3

 

На территории импактной зоны в 1988 г. лишь 25% 1-летней хвои было отнесено к категории здоровой, остальная хвоя была покрыта хлорозами и некрозами, площадь которых достигала 50% от общей поверхности (табл. 2). Вся хвоя 2- и 3-летнего возраста имела повреждения. Кроме пятнистых хлорозов и точечных некрозов, на хвое были отмечены сравнительно большие (до 3–5 мм) пятнистые и краевые некрозы. Нередко встречались апикальные некрозы хвои длиной 8–10 мм и более. Повторное обследование состояния ассимиляционных органов сосны в 2014 г. показало, что лишь хвоя текущего года не имеет видимых следов повреждения. Доля 1-летней поврежденной хвои составляла 26%, но при этом площадь повреждений не превышала 10% (табл. 2). С увеличением возраста хвои доля здоровой хвои уменьшалась, а интенсивность повреждения постепенно усиливалась. Здоровая хвоя 4-летнего возраста составляла лишь 3% от ее общего количества, а остальная часть имела повреждения хлорозами и некрозами, площадь которых в основном не превышала 5%. В отдельных случаях (3% хвои) хлорозы и некрозы занимали свыше 75% поверхности.

Достаточно чувствительным и легко определяемым показателем состояния хвойных пород на северном пределе их распространения является продолжительность жизни хвои на деревьях [11; 13; 26; 3; 27; 15]. Информативность рассматриваемого показателя определяется большой продолжительностью функционирования ассимиляционных органов хвойных деревьев в северо-таежных сообществах, в которых хвоя сосны на деревьях сохраняется 6–9, иногда 10–12 лет [13; 3]. В исследованных лесах на ключевых участках в фоновых условиях продолжительность жизни хвои Р. sylvestris на деревьях за весь период наблюдений варьировала в пределах от 5,7 до 6,7 лет (табл. 3), что согласуется с данными других исследователей для сосновых лесов Кольского полуострова [13; 28]. Колебания в продолжительности жизни хвои сосны на конкретных пробных площадях в фоновых районах, связаны, главным образом, с различиями погодных условий в отдельные годы.

 

Таблица 3 – Средняя продолжительность жизни хвои Pinus sylvestris на деревьях в средневозрастных сосновых лесах в районах с разным уровнем промышленного атмосферного загрязнения на Кольского Севере

Годы наблюдений	Районы (зоны) исследований
	Фоновый район	Буферная зона	Импактная зона
1982	6,0 ± 0,4	3,9 ± 0,8	2,4 ± 0,6
1987	5,7 ± 0,6	4,2 ± 1,0	2,5 ± 0,6
2005	6,4 ± 0,4	4,2 ± 0,7	5,3 ± 0,7
2008	6,7 ± 0,5	6,4 ± 0,7	5,0 ± 0,6
2014	6,2 ± 0,5	6,1 ± 0,5	5,3 ± 0,7
2017	6,3 ± 0,4	6,2 ± 0,6	5,3 ± 0,6

 

В пределах буферной зоны в 1982 г. средняя продолжительность жизни хвои сосны составила около четырех лет (3,9 ± 0,8 лет), что на 2-3 года меньше, чем в фоновом районе (табл. 3). В дальнейшем, до 1990 г., величина этого показателя достоверно не изменялась, что, по-видимому, обусловлено примерно одинаковыми годовыми объемами атмосферных выбросов комбината «Североникель» (рис. 2). Проведенные в начале текущего столетия повторные исследования выявили достоверное повышение (до 6,1–6,4 года) продолжительности жизни хвои по сравнению с предыдущим периодом (табл. 3). Увеличение продолжительности жизни хвои практически до фоновых значений произошло в период резкого падения объемов атмосферных выбросов загрязняющих веществ в начале XXI века (рис. 2). Таким образом, можно заключить, что в настоящее время уровень атмосферного загрязнения, отмечаемый в пределах буферной зоны, уже не оказывает столь резкого негативного влияния на продолжительность жизни хвои Pinus sylvestris, как это было выявлено в начале наших исследований.

На территории импактной зоны в 1982 и 1987 гг., когда интенсивность промышленного атмосферного загрязнения была максимальной, средняя продолжительность жизни хвои сосны достигала чуть более 2-х лет (табл. 3). В 1990-е годы величина этого показателя превышала 2,3–2,5 года, но достоверно не отличалась от величины, установленной в предыдущий период. На фоне существенного сокращения объема атмосферных выбросов комбинатом «Североникель» SO₂ наблюдается увеличение продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной в этом районе в 2 раза (табл. 3). Значение этого показателя в среднем составило 5,1 ± 0,6 лет, но было достоверно ниже по сравнению с таковым в буферной зоне. Иными словами, резкое уменьшение объемов атмосферных выбросов загрязняющих веществ привело к существенному увеличению продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной.

Выводы

Многолетние (более 35 лет) исследования восстанавливающихся после внешних нарушений средневозрастных лишайниково-зеленомошных сосновых лесов в экстремальных условиях Кольского Севера при разных уровнях атмосферного загрязнения позволили выявить существенные изменения структурно-функциональных характеристик отдельных деревьев и древостоев, изменения виталитетной структуры сообществ, нарушения в состоянии хвои, ее продолжительности жизни на деревьях, а также накопление в ней тяжелых металлов.

В фоновых сосновых лесах показатели жизненного состояния хвои достоверно не различаются в исследованные периоды времени. В этих условиях лишь небольшая часть (не более 5%) хвои сосны имела хлорозы и/или некрозы, которые занимали площадь менее 5% от общей поверхности. Иногда климатические аномалии провоцируют процессы ускоренного старения и преждевременного опадания ее с деревьев. Продолжительность жизни хвои сосны на деревьях в исследуемый период времени колебалась в пределах от 5,7 до 6,7 лет.

В районе средних уровней промышленного загрязнения (буферная зона) состояние ассимиляционных органов сосны обыкновенной в последние годы приблизилось к таковому в фоновых сосновых лесах: продолжительность жизни хвои составляет в среднем 6,3 года, практически отсутствуют повреждения на 1–3-летней хвое, а доля 4-летней с хлорозами и некрозами не превышает 22%.

В пределах импактной зоны к настоящему времени наблюдается 2-кратное увеличение продолжительности жизни хвои, которая в настоящее время составляет в среднем 4,5 ± 0,1 лет; свыше 70% 1-летней хвои практически не имеет хлорозов и некрозов, жизненное состояние 2–4-летней хвои также существенно улучшилось. Улучшение жизненного состояния, увеличение продолжительности жизни хвои и снижение содержания в ней тяжелых металлов обусловлено исключительно резким сокращением интенсивности аэротехногенного загрязнения комбинатов «Североникель».

Наблюдаемое в настоящее время значительное улучшение жизненного состояния и увеличение продолжительности жизни хвои Pinus sylvestris свидетельствуют о положительной реакции средневозрастных лишайниково-зеленомошных сосновых лесов на снижение аэротехногенной нагрузки и о продолжении процессов их восстановления в районах исследований [29].

Всесторонний анализ полученных данных позволяет заключить, что хвоя сосны обыкновенной в достаточной степени реагирует на изменения состояния окружающей среды, в частности на аэротехногенное загрязнение, что дает нам веские основания признать ее эффективным индикатором состояния лесных сообществ в условиях Кольского Севера. Особенно это важно при проведении маршрутных рекогносцировочных экспедиционных исследований.

Об авторах

Василий Трофимович Ярмишко

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова

Email: vasiliyarmishko@yandex.ru

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой ботаники и дендрологии

Россия, Санкт-Петербург

Оксана Васильевна Игнатьева

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова

Email: ignateva_oksana@inbox.ru

кандидат биологических наук, доцент кафедры ботаники и дендрологии

Россия, Санкт-Петербург

Александр Сергеевич Евдокимов

Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sansay78@rambler.ru

аспирант отдела Ботанический сад Петра Великого

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы