УДК 630*182.2:502.3:504.5:546.3
МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА ЛЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В ПЕРИОД СОКРАЩЕНИЯ ВЫБРОСОВ МЕДЕПЛАВИЛЬНОГО ЗАВОДА
© 2014 г. Е. Л. Воробейчик, М. Р. Трубина, Е. В. Хантемирова, И. Е. Бергман
Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 e-mail: ev@ipae.uran.ru Поступила в редакцию 07.05.2014 г.
На основе повторных регистраций состояния древесного и травяно-кустарничкового ярусов елово-пихтовых лесов, выполненных на 25 постоянных пробных площадях (с периодичностью 5—10 лет с 1989 г. по 2013 г.), охарактеризована динамика растительных сообществ в период снижения атмосферных выбросов Среднеуральского медеплавильного завода (г. Ревда Свердловской обл.). Несмотря на значительное сокращение, а затем почти полное прекращение выбросов (с 150—225 тыс. т/год в 1980-х годах до менее 5 тыс. т/год после 2010 г.), растительность в импактной зоне (на удалении 1 и 2 км от завода) остается в крайне угнетенном состоянии (в течение всех лет наблюдений продолжается гибель древостоя, сохраняется очень низкое разнообразие травяно-кустарничкового яруса). Естественные факторы, а именно ветровальные нарушения после урагана в 1995 г., сыграли более важную роль в динамике лесных сообществ на территории со слабым (30 км от завода) и умеренным (4 и 7 км) уровнями загрязнения, чем собственно сокращение выбросов.
Ключевые слова: промышленное загрязнение, атмосферное загрязнение, тяжелые металлы, медеплавильный завод, снижение выбросов, лесные экосистемы, растительные сообщества, древостой, травяно-кустарничковый ярус, биоразнообразие, биомасса, восстановительная динамика, южная тайга, Средний Урал.
Б01: 10.7868/80367059714060158
Как известно, в последние десятилетия во многих экономически развитых и некоторых развивающихся странах происходит снижение атмосферных выбросов промышленных предприятий в результате улучшения технологий, а также снижения объемов производства или его переноса на другие территории. Связанное со снижением выбросов уменьшение токсической нагрузки на экосистемы предоставляет возможность изучать процессы их естественного восстановления. Следует признать, что такие процессы до настоящего времени недостаточно изучены. Специальные исследования демутационных сукцессий немногочисленны: в частности, можно указать публикации, посвященные древостою (Уаугоуа й а1., 2009; Зверев, 2009; 1опагё й а1., 2012), включая радиальный прирост деревьев (1икпуз й а1., 2003; Эапек, 2007; Черненькова, Бочкарев, 2013), и напочвенному покрову (Трубина, Махнев, 1997; Черненькова и др., 2001; У1ё1е е! а1., 2006; Уаугоуа е! а1., 2009; Черненькова и др., 2011; Лянгузова, Мазная, 2012).
В то же время исследования подобного рода важны с теоретической точки зрения, поскольку
дают материал для анализа механизмов одного из видов устойчивости — способности системы возвращаться в исходное состояние. Немаловажен и практический аспект проблемы: от знания закономерностей и скоростей восстановительной динамики зависит выбор оптимальной стратегии природопользования при принятии решений о необходимости и характере рекультивационных мероприятий. Все это определяет рост интереса к данной проблеме (Оипп е! а1., 1995; Уаугоуа е! а1., 2009; Калабин, Моисеенко, 2011; Черненькова, Бочкарев, 2013).
Однако работы по изучению восстановительной динамики сталкиваются с рядом принципиальных ограничений методологического характера. Основное из них — отсутствие или неполнота информации о состоянии биоты до начала снижения техногенного воздействия. Корректное сопоставление материалов за разные периоды времени возможно только в том случае, если состояние биоты зарегистрировано строго в одних и тех же точках пространства. Если это требование не соблюдено, то очень велик риск ошибочно принять пространственную вариабельность парамет-
ров за их изменение во времени. Этот аспект особенно важен на импактных территориях, поскольку в условиях сильного загрязнения резко возрастает пространственное варьирование как величины токсической нагрузки, так и видового состава и структуры растительных сообществ (Трубина, Воробейчик, 2012).
Другое ограничение связано со сложностью выявления причин наблюдаемых изменений. Строгое доказательство того, что динамика растительности обусловлена снижением выбросов, а не действием внутренних и других внешних факторов, представляет собой крайне сложную задачу. Для ее решения, во-первых, необходим анализ изменения токсической нагрузки, причем не только атмосферного поступления токсикантов, но и их депонирования и транслокации в почве. Во-вторых, изучение демутационной динамики растительности необходимо сочетать с характеристикой климатических изменений и погодных аномалий, которые могут существенно модифицировать ход сукцессии и быть ее более важными драйверами, чем собственно снижение выбросов. Другими словами, необходим сопряженный анализ нескольких временных рядов — состояния растительности, токсической нагрузки и погодных условий. В идеале такие ряды должны состоять из большого количества точек, чтобы можно было не только описывать тренды изменений, но и анализировать связи между ними.
В большинстве случаев, за редким исключением (Уаугоуа й а1., 2009; Зверев, 2009; Лянгузова, Мазная, 2012), повторные регистрации выполнены на пробных площадях, не совпадающих с исходными, а иногда информация о состоянии био-ты до начала снижения выбросов вообще отсутствует. Чаще всего анализ восстановительной динамики базируется на результатах сравнения только двух временных срезов — до и после снижения выбросов.
В настоящее время нет единого мнения относительно скорости демутационных сукцессий, вызванных сокращением выбросов. Одни авторы полагают, что вслед за снижением техногенного воздействия происходит быстрое восстановление экосистем, другие считают, что биота "по инерции" продолжает оставаться в угнетенном состоянии еще длительное время даже после полного прекращения выбросов. Инерционная гипотеза исходно была сформулирована как следствие из экспериментов с имитационными моделями (Тарко и др., 1995). Корректных эмпирических данных для ее подтверждения или опровержения очень мало, и они противоречивы: в ряде исследований действительно продемонстрировано отсутствие положительного тренда после снижения выбросов, в частности для демографических параметров березы (Зверев, 2009) и черники (Лянгу-
зова, Мазная, 2012); в других, напротив, отмечено относительно быстрое восстановление, в частности радиального прироста деревьев (1икпуз й а1., 2003; Черненькова, Бочкарев, 2013) и обилия тра-вяно-кустарничкового яруса (Черненькова и др., 2001, 2011).
Цель данной работы — анализ динамики лесных растительных сообществ после сокращения выбросов крупного точечного источника промышленных выбросов. В ходе работы мы проверяли две гипотезы: первая — естественные факторы при слабом и умеренном уровнях загрязнения могут оказывать более сильное воздействие на динамику растительности, чем собственно сокращение выбросов; вторая — в зоне сильного загрязнения растительность продолжает деградировать или остается в угнетенном состоянии в течение длительного времени даже после почти полного прекращения выбросов.
Исследования лесных экосистем в районе воздействия одного из крупнейших источников атмосферного загрязнения в России — Средне-уральского медеплавильного завода, выбросы которого к настоящему времени резко снижены, были начаты нами в конце 1980-х годов и касались, среди прочего, оценки состояния лесной растительности (Воробейчик и др., 1994; Воробейчик, Хантемирова, 1994) и почвы (Кайгородо-ва, Воробейчик, 1996). Повторную регистрацию состояния растительных сообществ мы проводили на постоянных пробных площадях с периодичностью в 5—10 лет, охватив наблюдениями почти 25 лет. Динамику величины токсической нагрузки оценивали не только по объему атмосферных выбросов, но и по изменению содержания тяжелых металлов в почве (Трубина и др., 2014); также был привлечен материал по динамике погодных условий за рассматриваемый период.
РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проведены в районе воздействия атмосферных выбросов Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ), расположенного на окраине г. Ревды, в 50 км к западу от г. Екатеринбурга. Основные ингредиенты выбросов — газообразные соединения серы, фтора и азота, а также пылевые частицы с сорбированными тяжелыми металлами (Си, РЬ, Zn, Сё, Fe, Н и др.) и металлоидами (Аз). Предприятие функционирует с 1940 г. Валовый выброс СУМЗа в 1980-х годах достигал 150—225 тыс. т/год, к началу 2000-х он снизился до 65 тыс. т/год, к середине 2000-х — до 25 тыс. т/год, а после кардинальной реконструкции предприятия в 2010 г. — до менее 5 тыс. т/год (рис. 1).
Рассмотрена территория к западу от СУМЗ (направление против господствующих ветров).
Валовый выброс, тыс. т/год 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Годы
Рис. 1. Динамика валовых выбросов СУМЗа в период 1980—2013 гг. Стрелками обозначен год регистрации состояния травяно-кустарничкового яруса.
По содержанию тяжелых металлов в депонирующих средах и состоянию высшей растительности ранее в этом направлении были выделены три зоны нагрузки — импактная (до 2 км от завода), буферная (до 7 км) и фоновая (далее 7 км) (Воро-бейчик и др., 1994).
Согласно физико-географическому районированию, данная территория относится к подзоне южной тайги, к провинции низкогорий Среднего Урала; абсолютные высоты — от 100 до 450 м над ур. м. (Прокаев, 1976). В период 1960—2010 гг. среднегодовая температура составляла +1.7°С, самый холодный месяц — январь (—15.0°С), самый теплый — июль (+17.7°С), безморозный период — менее 90 дней; среднее годовое количество осадков равно 540 мм, мощность снегового покрова достигает 40—50 см. Лесистость района составляет более 60%; распространены темнохвой-ные леса и производные от них — березовые и осиновые (Прокаев, 1976). В почвенном покрове преобладают буроземы, серые и дерново-подзолистые почвы.
Работы проведены в елово-пихтовых разновозрастных лесах с элементами неморального флористического комплекс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.