Some aspects of Scots pine forests monitoring in extreme conditions of the Kola North

Full Text

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.

About the authors

Vasily Trofimovich Yarmishko

Saint Petersburg State Forest Technical University

Email: vasiliyarmishko@yandex.ru

doctor of biological sciences, professor, head of Botany and Dendrology Department

Russian Federation, Saint Petersburg

Oksana Vasilievna Ignateva

Saint Petersburg State Forest Technical University

Email: ignateva_oksana@inbox.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Botany and Dendrology Department

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexander Sergeevich Evdokimov

Komarov Botanical Institute of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: sansay78@rambler.ru

postgraduate student of Botanical Garden of Peter the Great

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files