ЭКОЛОГИЯ, 2004, № 3, с. 190-199
УДК 631.413
ОРДИНАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
© 2004 г. С. В. Копцик, Г. Н. Копцик, Л. В. Меряшкина
Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова 119892 Москва, Воробьевы горы Поступила в редакцию 03.04.2003 г.
Проанализировано разнообразие видового состава и структуры древесного, травяно-кустарничко-вого и мохово-лишайникового ярусов биогеоценозов сосновых лесов в зоне влияния комбината "Печенганикель" на Кольском полуострове. Выявлены связи разнообразия фитоценозов с уровнем атмосферных выпадений и содержанием доступных соединений элементов-загрязнителей (никеля и меди) и элементов питания (калия, магния и азота) в подстилках.
Ключевые слова: лесные биогеоценозы, фитоценозы, индексы разнообразия, почвы, загрязнение, тяжелые металлы, метод главных компонент, ординационные диаграммы.
Вызванные атмосферным загрязнением изменения состава и продуктивности лесных фитоценозов особенно сильно проявляются вблизи источников выбросов, прежде всего металлургических комбинатов (Крючков, Макарова, 1989; "Лесные экосистемы...", 1990; "Воздействие...", 1995). Наряду с прямым воздействием поллютан-тов эти изменения могут быть обусловлены нарушениями питательного режима почв. Суровые климатические условия усугубляют экологическую ситуацию.
Первые сведения о повреждении лесов от промышленных выбросов в районе п. Никель на Кольском п-ове появились в 1974 г. ("Отчет.", 1995). Комплексная оценка состояния лесных биогеоценозов (БГЦ) вблизи комбината "Печенганикель" была впервые осуществлена в 1991-1995 гг. ("Воздействие.", 1995; Лукина, Никонов, 1998; Копцик и др., 1998). Согласно данным спутниковой съемки, зона полной деградации составляла 760 км2, сильного повреждения - 2000 км2, среднего и начального повреждения - 1900 км2 (Т0шшег-у1к е! а1., 1993). Цель настоящей работы - анализ современного состояния и трансформации растительных сообществ БГЦ сосновых лесов под воздействием загрязнения атмосферы и почв выбросами комбината.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили в БГЦ сосновых лесов Кольского п-ова в зоне влияния комбината "Печенганикель". Зональные сосновые леса на северном пределе распространения отличаются
низкорослыми (<14-15 м), сильно разреженными древостоями с низкой производительностью: средний класс бонитета - V.5, запас древесины -51 м3 га-1 ("Отчет.", 1995). Наиболее распространены насаждения кустарничково-зеленомош-ной группы типов леса (черничные, брусничные, вороничные). В почвенном покрове автоморф-ных ландшафтов доминируют маломощные ил-лювиально-(гумусово-)железистые подзолы песчаного гранулометрического состава на сильно завалуненных несортированных моренных и сортированных гляциальных отложениях.
Полевые исследования проводили в августе 2000 г. на четырех участках мониторинга по градиенту загрязнения (см. таблицу). Для учета пространственного варьирования в соответствии с рекомендациями программы комплексного мониторинга ("Manual.", 1993) каждый участок размером 30 х 40 м был разбит на 12 площадок размером 10 х 10 м, на которых выполнены описания древесного, травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового ярусов по общепринятым геоботаническим методикам. Напочвенный покров был описан также на квадратах размером 1 м2 в центре каждой площадки. В качестве показателей обилия определяли численность, проективное покрытие и фитомассу, наиболее полно характеризующие роль вида как ценобионта. Укосы для оценки фитомассы и монолиты для определения запасов подстилки взяты с квадратов размером 0.25 х 0.25 м в центре каждой площадки. Одновременно отобраны образцы подстилки, подзолистого и иллювиального горизонтов почв для химического анализа.
w
w
о а о
4
5 »
о о
Характеристика лесных экосистем в зоне влияния комбината "Печенганикель"
Показатели Ед. изм. Характеристика биогеоценозов Источник
Расстояние от ГМК км 41 16 8 1
Концентрации 802:
среднегодовые мкмоль/м3 0.31-0.47(10-15) 0.63-1.56 (20-50) >1.56 (>50) >1.56 (>50) "Экол. Атлас...", 1999
полугодовые (лето) (мкг/м3) <0.16 (<5) 0.47-0.63 (15-20) 1.25-3.13 (40-100) 1.25-4.69 (40-150) Sivertsen et al., 1992
полугодовые (зима) «0.31 («10) 0.31-0.78 (< 10-25) 0.94-1.88 (30-60) 0.94...>3.13 (30...>100) Hagen et al., 2000
Выпадения 804 моль/м2/год 0.03-0.05 (1-1.5) 0.06-0.16 (2-5) >0.16 (>5) >0.16 (>5) "Экол. Атлас...", 1999
(г/м2/год) 0.03 (1) 0.08 (2.5) 0.16(5) >0.16 (>5) Sivertsen et al., 1992
Выпадения № моль/м2/год 0.05 (3) 0.26 (15) 0.7 (40) >1.75 (>100) Sivertsen,
Си (г/м2/год) «0.08 («5) 0.16(10) 0.31 (20) >0.78 (>50) Bekkestad, 1995
Валовое содержание в подстилке № ммоль/кг 1.0-1.2 6.5 9.6 30 Копцик и др., 1998
Си » 0.6-0.8 3.6 5.6 33
Тип леса Сосняк лишайниковый Сосняк злаково-кустарничковый Сосняк с пустошью Техногенная пустошь Полевые наблюдения
Нарушения древесного яруса Нарушение покрова эпифитных лишайников, единичный хлороз хвои Хлороз и некроз хвои, дефолиация, суховершинность Массовые хлорозы и некрозы, снижение срока жизни хвои, дефолиация Полная гибель древостоя Полевые наблюдения
живые деревья шт/100 м2 9.3+1 2.4 + 0.4 2.8 + 0.4 0
сухостой » 1.9 + 0.5 4.7 + 0.9 5.7+1.1 1.9 + 0.3
сомкнутость крон доли единицы 0.33 ± 0.04 0.15 + 0.02 0.12 + 0.01 0
Нарушения напочвенного покрова Отсутствуют Разрушение лишайникового покрова, появление злаков Гибель лишайников, временная активизация вороники Гибель напочвенного покрова; единично луговик и вороника Полевые наблюдения
Зона деградации экосистем (Самой) начальной стадии деградации Существенно разрушенных Сильно разрушенных Полного разрушения По: Крючков, Макарова, 1989
Класс лесных экосистем Ненарушенные (начального повреждения) Поврежденные Сильно поврежденные Полностью разрушенные По: "Лесные экосистемы...", 1990
Этап техногенной сукцессии Фоновый Дефолиации Техногенное редколесье Техногенная пустошь По: Лукина, Никонов, 1998
О ч И К
X >
с
К й
ч >
О
ч
К
н и й tr X № нч
X
о о о и
В
и о н и
Определяли содержание доступных для растений соединений Са, М§, К, Ка, А1, Бе, Мп, 2п, N1 и Си (в вытяжке 1 М раствором СН3СООКН4 с рН 4.8 методом атомно-абсорбционной спектроскопии), аммиачной формы азота (в вытяжке 2%-ным раствором КС1 фотометрическим методом с реактивом Несслера), подвижных форм фосфора (по Кирсанову), а также рНн о, рНСаС1 и
обменную кислотность почв ("Агрохимические методы.", 1975).
Для анализа связи растительности с атмосферными выпадениями и свойствами почв использован метод главных компонент (ГК), позволяющий аппроксимировать исходные свойства путем разложения их в ряд, на основе присущих самим данным структур (собственных векторов), наиболее полно отражающих пространственную изменчивость свойств. Получаемое при этом объективное структурирование растительных и почвенных переменных можно рассматривать как одно из средств системного анализа состояния лесных БГЦ в условиях загрязнения. Техника анализа изложена ранее (Копцик и др., 1999; Коп-цик, Копцик, 2000).
Разнообразие фитоценозов характеризовали тремя наиболее распространенными показателями: видовым богатством, индексом Шеннона-Уи-вера и индексом выравненное™ видов (Уиттекер, 1980). Последний рассчитывали как отношение индекса Шеннона-Уивера, характеризующего пестроту фитоценоза, и видового богатства. При исчислении индекса Шеннона-Уивера в качестве оценки встречаемости (вероятности) вида использовали его проективное покрытие. Видовое богатство рассчитывали как 1 + N + 1), где N -число видов. Такое определение, совпадающее с общепринятым при большом числе видов, исключает резкие изменения и сингулярности индексов в сильно разреженных сообществах (вплоть до пустошей).
Почвенные свойства как разнородные, имеющие качественно различный смысл как по отношению к показателям разнообразия фитоценозов, так и между собой, проанализированы как внешние переменные. Взаимосвязь фитоценозов и экотопов визуализирована корреляционными ординационными диаграммами показателей разнообразия растительных сообществ в связи с атмосферными выпадениями и свойствами почв -как взаимное расположение их характеристик в пространстве двух первых ГК.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Трансформация фитоценозов. Сосновые леса района исследований, находясь на границе с лесотундрой, формируют северный предел лесной
зоны. Видовое богатство растительных сообществ низкое в связи с ограниченным видовым пулом, малым экологическим объемом местообитаний, молодостью гляциальных ландшафтов. Сосна (Pinus sylvestris) приспособлена к экстремальным климатическим условиям и бедным песчаным почвам. В связи с дефицитом тепла и коротким периодом биологической активности древесный ярус сильно разрежен (сомкнутость крон не превышает 0.2-0.3) и его роль как эдифи-катора лесных сообществ значительно ослаблена ("Воздействие.", 1995).
С приближением к комбинату происходят серьезные нарушения в состоянии древесного яруса, свидетельствующие о наличии токсического эффекта (см. таблицу). Полученные данные согласуются с результатами лесопатологического обследования территории Печенгского лесхоза в 1994-1995 гг. ("Отчет.", 1995), которые показали усиление дехромации хвои, сокращение ее возраста, снижение прироста деревьев, увеличение доли отмерших ветвей в кронах с приближением к комбинату. Наряду с промышленными выбросами причинами ослабления и усыхания деревьев были перестойность, рак-серянка, стволовые и комлевые гнили, пожары, склеродерриоз. В условиях атмосферного загрязнения усиливаются промерзание почвы, скорость ветров, иссушение (Крючков, Макарова, 1989). По состоянию древесного яруса изучаемые биогеоценозы отнесены к классам ненарушенных, поврежденных, сильно поврежденных и полностью разрушенных лесных экосистем, соответствующих последовательным этапам техногенной сукцессии.
В связи с ослаблением эдификаторной роли древесных растений в лесных БГЦ Крайнего Севера особенно велика роль напочвенного покрова. Группа сосудистых растений в целом бедна видами (рис. 1). В сосняке лишайниковом (41 км от комбин
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.