ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2012, № 4, с. 3-15
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 630*:574.24+58.02
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА РАДИАЛЬНЫЙ ПРИРОСТ ДЕРЕВЬЕВ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА*
© 2012 г. Т. В.Черненькова1, Ю. Н.Бочкарев2, М. Фридрих3,4, Т. Беттгер5
1Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, 117 997 Москва, Профсоюзная ул., 84/32 e-mail: chernenkova50@mail.ru 2Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, географический факультет 119 992 Москва, Воробьевы горы, главное здание 3Institute of Botany, Hohenheim University,Garbenstraße 30, 70599, Stuttgart, Germany; 4Heidelberg Academy of Sciences, Karlstr. 4, 69117, Heidelberg, Germany 5Helmholtz Centre for Environmental Research - UFZ, Department of Catchment Hydrology Theodor-Lieser-Str. 4 D-06120, Halle, Germany Поступила в редакцию 30.01.2012 г.
Изучена динамика радиального прироста деревьев сосны (Pinus sylvestris L.) и ели (Picea obovata Ledeb.) на северном пределе их распространения на Кольском полуострове, в районе действия комбината Североникель. С помощью статистических методов установлена связь радиального прироста деревьев с совокупностью сопряженно действующих факторов внешней среды и выявлен вклад отдельных факторов. Найдены статистически значимые зависимости продуктивности деревьев от уровня загрязнения, особенностей рельефа и климатической составляющей. Прослежена достоверная связь прироста деревьев с объемами поступающих в атмосферу выбросов предприятия, зависящая от степени техногенной нагрузки на деревья, видовой принадлежности деревьев и местоположения на склонах возвышенностей. Выявлена различная зависимость колебаний прироста разных частотных уровней (длинноволновых - 50 лет, средневолновых - 30 лет и коротковолновых - межгодовых) от климатических показателей.
Дендрохронологические методы, сосна, ель, Кольский север, атмосферное загрязнение, тяжелые металлы, годичный прирост, климат, ландшафтные факторы.
В условиях произрастания хвойных насаждений на границе их распространения сила воздействия внешних факторов среды проявляется наиболее отчетливо [11]. К таким районам относится территория Кольского п-ва, в центральной части которого присутствует источник сильного хронического загрязнения атмосферными выбросами - горно-металлургический комбинат (ГМК) "Североникель". Многочисленные примеры повреждения состояния древесных насаждений в его окрестностях достаточно хорошо отражены в литературе [1, 8, 10, 13, 20].
Дендрохронологический метод часто используется при оценке изменений условий природной среды, в частности, динамики климата и погодных факторов [2-4, 12, 16, 21], а также при оценке функциональных нарушений в результате антропогенных воздействий [6, 9]. Статистические
* Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН по разработке методологии мониторинга биоразнообразия лесов и РФФИ (11-04-01093 и 07-04-01743).
методы позволяют установить связь радиального прироста деревьев с совокупностью сопряженно действующих факторов внешней среды и выявить вклад каждого фактора в отдельности, однако число исследований, учитывающих полифакторную детерминацию структурно-функциональных характеристик лесных насаждений в данном районе, крайне ограничено [15, 25]. Вместе с тем возможности использования дендрохронологи-ческих и статистических методов, по мнению канадских исследователей [23], имеют большое значение для понимания краткосрочной реакции продуктивности бореальных лесов на условия среды в течение последних нескольких десятилетий и оценки этого влияния на углеродный баланс. Применение модели смешанного эффекта позволило авторам продемонстрировать последовательное снижение прироста сосны обыкновенной на 17%, или 0.0025 мм год-1 в 1930-1980-х гг. в Северной Евразии [23].
Целью данной работы являлся анализ изменения радиального прироста сосны (Pinus sylvestris L.) и ели (Picea obovata Ledeb.) в условиях Кольского Севера под влиянием атмосферного загрязнения, экотопических условий и климатических параметров.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Район исследований расположен за полярным кругом в подзоне северной тайги, в центральной части Кольского п-ва и занят в основном еловыми и сосновыми кустарничково-зеленомошны-ми редкостойными лесами. Изучаемая территория располагается на высоте 100-1200 м над ур. моря и характеризуется среднегодовой суммой активных средних суточных температур воздуха
Таблица 1. Характеристики точек отбора проб
>+10 °С около 900 °С и выпадением 500-600 мм атмосферных осадков [7]. В районе исследования находится источник атмосферного загрязнения -горно-металлургический комбинат (ГМК) "Севе-роникель", определяющий облик и состояние лесных экосистем в окрестностях г. Мончегорска с 1935 г. В зоне его влияния на протяжении многих десятилетий основными ингредиентами токсического воздействия выступают тяжелые металлы и сернистые соединения. Объем промышленных выбросов в атмосферу в 1980-х годах составлял: двуокиси серы - 220-240 тыс. т год-1, соединения никеля - 3400, меди - 2640, кобальта - 100, окислов азота - 1200, серной кислоты (пары) - 3350, хлора - 1000, фторидов - 800 т год-1. В последние годы выбросы заметно уменьшились в связи с сокращением объемов производства, в частнос-
Зона Расстояние и направление от комбината, км Высота над ур. моря, м Экспозиция склона Порода дерева Долгота Широта
Импактная Ю-5 < 250 в Е 32.7848 67.9082
Ю-10 250-300 в Е 32.7867 67.8464
< 250 н/в С 32.7066 67.8543
Буферная Ю-20 < 250 с-в Е 32.7997 67.7611
250-300 в-с-в Е 32.7717 67.7640
> 300 н/в Е 32.7480 67.7619
Ю-30 < 250 с-с-з Е 32.8025 67.6792
250-300 в-ю-в Е 32.7924 67.6707
> 300 в Е 32.7846 67.6721
< 250 с С 32.7720 67.6473
< 250 с-з С 32.74983 67.6498
Фон Ю-65 < 250 н/в С 32.51450 67.5707
< 250 н/в С 32.50833 67.5745
< 250 н/в С 32.49250 67.5790
Контроль СЗ-70 < 250 с-в Е 31.0851 68.2291
250-300 в. Е 31.0247 68.2282
250-300 н/в Е 31.0307 68.2283
250-300 в Е 31.0609 68.2287
250-300 в Е 31.0670 68.2287
250-300 в Е 31.0730 68.2280
> 300 с-в Е 31.0187 68.2282
> 300 з Е 31.0368 68.2284
> 300 з Е 31.0420 68.2284
> 300 в Е 31.0549 68.2289
ЮВ-70 > 300 в С 34.1463 67.7398
Примечание: в - восточная, с - северная, з - западная, н/в - не выражена.
ти, объем выбросов SO2 сократился более чем в шесть раз и в 2007 г. составил около 35.9 т год-1 [5].
Состояние древостоев сосны и ели оценивалось на пробных площадях в сосновых и еловых сообществах, характеризующих зональный тип северотаежных лесов (Piceeta fruticuloso-hylocomiosa и Pineta fruticuloso-hylocomiosa+Pineta hylocomioso-cladinosa). Наиболее ярко градиент загрязнения выражен в меридиональном направлении в соответствии с розой ветров в регионе. Поэтому пробные площади были заложены на разном расстоянии от источника эмиссий в пределах зон дигрессии с различной степенью нарушенности биоценозов (табл. 1, рис. 1). В качестве контроля исследовались растительные сообщества, располагающиеся вне зоны техногенного воздействия, приблизительно в 70 км к северо-западу (северозападная граница Лапландского заповедника) и юго-востоку (восточные Хибины) от комбината. Сравнение показателей радиального прироста сосны и ели осуществлялось при оценке деревьев в сходных экотопических условиях на высоте 250-300 м над ур. моря при сопоставимых техногенных нагрузках: Ю11 (сосна) - Ю10 (ель); Ю30 (сосна) - Ю30 (ель); ЮВ70 (сосна) - СЗ-70 (ель).
Отбор проб древесины и методы измерения годовых колец. Для оценки влияния экотопической вариабельности на продуктивность древостоя, главным образом рельефа, пробные площади закладывались на ландшафтных профилях на высотах менее 250 м, 250 - 300 м и более 300 м над ур. моря (верхняя граница леса) в пределах каждой зоны дигрессии и в контроле. Исключение составляла ближняя зона максимальной степени нарушенности экосистем, где на высотах более 300 м живых деревьев не осталось. Возраст и радиальный прирост стволов у деревьев диаметром более 10 см определяли по древесным кернам, взятым древесным буром с двух противоположных сторон ствола. Повторность измерений для пробной площади на каждой высоте ландшафтного профиля составляла 15-20 стволов, включая живые и мертвые деревья. На среднем уровне измерено всего 70 стволов елей и 40 - сосны.
Для измерения ширины годичных колец использован полуавтоматический комплекс LINTAB 5 и программный пакет TSAP WIN. Для перекрестной датировки и построения хронологий по индексам прироста по пробным площадям был использован программный пакет TSAP WIN, а также программа ARSTAN, входящая в библиотеку дендрохронологических программ DPL [24].
Рис. 1. Картосхема расположения точек исследования и условное зонирование территории.
Для верификации перекрестного датирования -программа COFECHA. С помощью перекрестной датировки с участием региональных хронологий живых деревьев были датированы годы роста и гибели мертвых деревьев, пострадавших в результате атмосферных выбросов. Для этого, в частности, была использована хронология по сосне из района Хибинских гор [22] и хронология по сосне из финской Лапландии [19]. Для удаления возрастных трендов использован метод "региональной кривой" (RCS), метод усреднения индексированных рядов [18], а также метод подбора кубических сплайнов для вычленения низкочастотных составляющих рядов прироста [17].
Химический анализ образцов почв и растений. Для оценки уровня загрязнения применялся стандартный метод атомно-абсорбционной спектро-фотометрии с определением валового содержания
Таблица 2. Изменение концентрации меди и никеля в разных частях деревьев сосны обыкновенной и в почве в окрестностях металлургического комбината "Североникель", мг кг-1 (по данным 1983, 2008 и 2009 гг.)
Объект Расстояние до источника выбросов, км
5 10 20 30 70 (контроль)
Си
Хвоя
текущего года 31.2 101.3 49.6 17.6 7.4
1-го >> 100.8 294.2 72.8 32.9 7.3
2-го >> 92.0 120.5 48.0 38.2 10.4
Древесина 4.2 5.3 4.1 2.0 1.8
Корни 145.0 79.3 35.8 5.1 2.8
N1
Хвоя
текущего года 188.9 214.0 101.4 20.0 5.8
-го >> 870.3 203.9 139.2 20.6 9.5
-го
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.