ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 458, № 6, с. 721-725
^ ОБЩАЯ
БИОЛОГИЯ
УДК 630*182.2:502.3:504.5:546.3
ДИНАМИКА ЛЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ПОСЛЕ СНИЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ: БЫСТРОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЛИ ПРОДОЛЖЕНИЕ ДЕГРАДАЦИИ?
© 2014 г. М. Р. Трубина, Е. Л. Воробейчик, Е. В. Хантемирова, И. Е. Бергман, С. Ю. Кайгородова
Представлено академиком В.Н. Большаковым 04.02.2014 г. Поступило 04.04.2014 г.
DOI: 10.7868/S0869565214300252
Снижение атмосферных выбросов промышленных предприятий, происходящее в последние годы во многих странах, дает возможность анализировать процессы естественного восстановления экосистем, что важно как с теоретической (анализ механизмов устойчивости), так и практической (выбор стратегий природопользования) точек зрения. Однако изучение восстановительных процессов сопряжено с принципиальным ограничением — неполнотой информации о био-те до начала снижения выбросов. Для корректного сравнения ее состояние должно быть зафиксировано строго в одних и тех же точках пространства, поскольку в противном случае велик риск ошибочно принять пространственную вариабельность параметров, особенно сильную на загрязненных территориях [1], за их изменение во времени. Хотя интерес к изучению естественного восстановления деградированных экосистем возрастает [2—7], в большинстве работ, за редким исключением [8], это требование не соблюдено.
Существуют две противоположные точки зрения относительно скорости демутационных сук-цессий после снижения техногенной нагрузки. Одни авторы полагают, что экосистемы восстанавливаются быстро, другие — что биота "по инерции" продолжает оставаться в угнетенном состоянии еще длительное время даже после полного прекращения выбросов. Инерционная гипотеза впервые была сформулирована как следствие из экспериментов с имитационными моделями [9]. Эмпирических же данных для ее проверки очень мало и они противоречивы: в ряде случаев продемонстрировано отсутствие восстановительных трендов [8]; в других, напротив, отмечено относи-
Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской Академии наук, Екатеринбург
тельно быстрое восстановление, в частности, радиального прироста деревьев [4] и обилия травя-но-кустарничкового яруса (ТКЯ) [3, 10].
Цель данной работы — анализ динамики растительных сообществ после снижения уровня атмосферного загрязнения.
В 1989 г. мы начали изучение лесных экосистем, подверженных многолетним (с 1940 г.) выбросам Среднеуральского медеплавильного завода [11]. В импактной (1 и 2 км к западу от завода), буферной (4 и 7 км) и фоновой (30 км) зонах были заложены 25 постоянных пробных площадей 25 х х 25 м (по 5 на удаление) в елово-пихтовых разновозрастных лесах с элементами неморального флористического комплекса, произрастающих на пологих склонах увалов. Почвы — дерново-подзолистые, среднемощные, тяжелосуглинистые. Средний возраст деревьев верхнего яруса на момент начала наблюдений в большинстве случаев составлял 60— 80 лет. Высота и диаметр деревьев максимальны в фоновой зоне (18—20 м и 18—23 см соответственно), минимальны — в импактной (9—12 м и 9— 14 см соответственно). Повторные регистрации состояния древостоя выполнили на тех же пробных площадях в 1998 и 2008 гг., ТКЯ - в 1999 и 2007 гг. Для оценки параметров древостоя использовали сплошной перечет деревьев с измерением высоты и диаметра, надземной биомассы ТКЯ -укосы на 10-15 площадках 50 х 50 см с последующей разборкой по видам, видового богатства -геоботанические описания. Содержание подвижных форм (экстрагент — 5%-я ИМ03) тяжелых металлов (Си, Zn, Сё, РЬ) и рН в почве (верхний слой А1) оценено в 1989 г. (один смешанный образец на пробную площадь), в 1999 и 2012 гг. (по 5 смешанных образцов).
Атмосферные выбросы завода в 1989 г. составляли 141 тыс. т, в 1999 г. — 66 тыс. т, в 2005 г. — 25 тыс. т, после 2010 г. — менее 5 тыс. т. Наиболее существенно снизились выбросы Си (в 58 раз
Таблица 1. Динамика параметров лесных экосистем в разных зонах нагрузки (среднее ± ошибка, учетная единица — пробная площадь, п = 5)
Параметр Год Зона нагрузки (удаление от завода, км)
Фоновая (30) Буферная (7) Буферная (4) Импактная (2) Импактная (1)
Почва
pH 1989 4.53 ± 0.12 4.33 ± 0.17 4.04 ± 0.08 4.29 ± 0.09 4.18 ± 0.13
1999 4.42 ± 0.08 4.51 ± 0.19 4.01 ± 0.07 4.04 ± 0.04 3.87 ± 0.06
2012 4.89 ± 0.06 5.03 ± 0.06 4.55 ± 0.03 4.63 ± 0.09 4.60 ± 0.12
Cu, мкг/г 1989 23.8 ± 2.2 169.0 ± 13.4 251.9 ± 29.9 883.3 ± 105.7 1567.8 ± 111.0
1999 36.4 ± 3.8 339.4 ± 52.8 219.2 ± 23.8 520.6 ± 40.8 2038.2 ± 234.5
2012 52.2 ± 21.4 424.1 ± 21.9 366.7 ± 114.3 1039.6 ± 146.9 1084.4 ± 131.7
Pb, мкг/г 1989 19.4 ± 1.3 46.9 ± 5.6 44.6 ± 9.1 128.0 ± 22.1 278.0 ± 33.4
1999 30.1 ± 2.2 101.3 ± 16.6 47.9 ± 9.5 60.4 ± 6.4 288.4 ± 51.8
2012 65.9 ± 23.5 215.0 ± 14.4 Древесны 135.0 ± 45.3 й ярус 317.1 ± 31.6 378.7 ± 46.4
Z 1989 409.2 ± 53.9 418.1 ± 44.0 313.1 ± 26.4 149.3 ± 22.1 63.0 ± 9.2
1998 253.1 ± 29.4 321.2 ± 19.6 228.5 ± 25.1 139.6 ± 24.5 38.2 ± 6.8
2008 438.9 ± 61.5 526.0 ± 32.3 394.5 ± 23.5 301.2 ± 14.9 74.2 ± 57.2
N 1989 2048±251 2086±108 1318± 148 1450±125 822 ±126
1998 858 ± 86 1226 ± 49 701 ± 86 1094±206 365 ± 60
2008 1104±117 1155±69 1184±262 1997±133 464±257
D 1989 7.8 ± 4.2 7.0 ± 1.2 16.5 ± 3.2 25.2 ± 2.3 26.8 ± 4.7
1998 7.4 ± 2.9 12.4 ± 0.7 18.7 ± 4.9 7.8 ± 2.7 34.4 ± 4.2
2008 22.3 ± 1.2 18.7 ± 5.7 4.1 ± 1.9 - 80.4 ± 8.2
Травяно-кустарничковый ярус (ТКЯ)
S1 1989 7.6 ± 1.2 3.9 ± 0.5 3.8 ± 0.4 0.6 ± 0.1 0.8 ± 0.1
1999 11.4 ± 0.7 5.4 ± 0.4 4.9 ± 0.4 0.9 ± 0.3 1.7 ± 0.3
2007 10.0 ± 0.3 4.9 ± 0.3 3.9 ± 0.2 0.9 ± 0.3 1.3 ± 0.2
S2 (S3) 1989 36.8 ± 2.4 (52) 32.2 ± 1.2 (42) 24.8 ± 1.8 (35) 9.2 ± 0.6 (18) 7.0 ± 1.4 (15)
1999 53.2 ± 1.9 (72) 39.0 ± 1.8 (57) 31.4 ± 3.6 (56) 11.6 ± 1.6 (26) 6.4 ± 1.2 (15)
2007 58.2 ± 0.9 (82) 44.0 ± 1.8 (71) 31.8 ± 3.2 (56) 14.0 ± 2.0 (30) 7.0 ± 0.6 (14)
M ТКЯ 1989 16.5 ± 3.0 7.3 ± 1.7 18.6 ± 4.8 6.7 ± 2.0 16.5 ± 7.8
1999 30.2 ± 2.8 14.6 ± 0.3 14.3 ± 1.8 4.8 ± 2.2 15.7 ± 2.2
2007 52.2 ± 6.9 17.9 ± 3.7 16.5 ± 1.9 2.9 ± 1.7 44.5 ± 21.1
Примечание. Здесь и в табл. 2: Z —запас древесины, м3/га; N — густота древостоя, шт./га; D — доля сухостоя по запасу, %; Sj — количество видов на 0.25 м2 (для каждой пробной площади — среднее по 10—15 значениям); S2 — количество видов на 625 м2; S3 — количество видов в целом для зоны нагрузки; M — биомасса, г/м2. Прочерк — отсутствие данных.
в 2005 г. по сравнению с 1989 г.), HF (в 51 раза), Аз (в 35 раз), Zn (в 7.8 раза) и 802 (в 5.5 раз). Таким образом, мы располагаем информацией о состоянии растительности на момент высоких выбросов (1989 г.), начала их существенного снижения (1998—1999 гг.) и почти полного прекращения (2007-2008 гг.).
В период 1989-1999 гг. кислотность почвы на всех участках не изменилась, а с 1999 по 2012 г. — снизилась на 0.5—0.7 ед. рН, но в импактной и бу-
ферной зонах осталась более высокой, чем в фоновой (табл. 1, 2). Концентрации всех металлов (данные по Zn и Сё не приведены) увеличились как в период 1989—1999 гг., так и в 1999—2012 гг. (только в импактной (1 км) зоне во второй период несколько снизилось содержание Си). Увеличение содержания металлов, помимо собственно атмосферного выпадения, скорее всего, обусловлено их постепенным вымыванием из подстилки. Дополнительным фактором закрепления металлов в поч-
ДИНАМИКА ЛЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ
723
Таблица 2. Результаты двухфакторных дисперсионных анализов (с повторными измерениями) различий между зонами нагрузки и периодами наблюдений. Приведен достигнутый уровень значимости для F-критерия
Период наблюдений и источник изменчивости
Параметр I период II период
Зона Время Зона х Время Зона Время Зона х Время
pH 0.003 0.339 0.298 <0.001 ^0.001 0.375
Cu ^0.001 0.004 0.033 ^0.001 0.131 0.008
Pb ^0.001 0.028 0.059 <0.001 ^0.001 0.011
Z ^0.001 0.001 0.774 <0.001 0.001 0.165
N <0.001 ^0.001 0.419 <0.001 0.031 0.115
D <0.001 0.252 0.579 0.022 0.177 0.011
S1 ^0.001 0.001 0.595 ^0.001 0.101 0.157
S2 ^0.001 0.002 0.062 ^0.001 0.018 0.823
M (ТКЯ) 0.059 0.033 0.249 <0.001 0.115 0.427
M (злаки и осоки) 0.069 <0.001 0.030 0.010 0.004 0.152
M (разнотравье) <0.001 0.012 0.041 ^0.001 0.072 <0.001
M(папоротники) <0.001 0.107 0.447 0.005 0.010 0.302
M (хвощи) <0.001 0.123 0.829 <0.001 0.167 0.008
Периоды наблюдений: I — 1989—1999 гг. (почва и ТКЯ) или 1989—1998 гг. (древостой), II — 1999—2012 гг. (почва), 1999—2007 гг. (ТКЯ) или 1998—2008 гг. (древостой).
ве может быть снижение ее кислотности. Таким образом, сформировавшаяся к концу 1990-х гг. техногенная геохимическая аномалия за 20 лет не претерпела существенных изменений, а наоборот, стала еще более выраженной. Это хорошо согласуется с представлениями о крайне медленной разгрузке загрязненных ландшафтов даже при полном прекращении выбросов из-за низкой подвижности металлов [12].
В период 1989—1999 гг. густота древостоя и запас древесины уменьшились на 20—40%, причем синхронно на всех участках (см. табл. 1, 2), а доля сухостоя практически не изменилась. Это свидетельствует о наличии единого для всего района внешнего воздействия, никак не связанного с уменьшением загрязнения. Общим трендом для всех участков было увеличение видового разнообразия ТКЯ в микромасштабе (десятки сантиметров, Б1, табл. 1). На всех участках, за исключением наиболее близкого к заводу, наблюдалось увеличение разнообразия в мезомасштабе (десятки метров, Б2) и макромасштабе (сотни метров, 83) в основном за счет видов нарушенных местообитаний (А^гозИз capillaris, Скгу808р1етит аИегп1/о11ыт, Phegopteris соппесИШ и др.). Биомасса ТКЯ существенно увеличилась только в 30 и 7 км от завода (за счет Calamagrostis obtusata и разнотравья), а на
остальных участках — снизилась. В 4, 2 и 1 км от завода изменилась ее структура: доля злаков увеличилась, хвощей — уменьшилась (рис. 1).
В период 1998—2008 гг. густота и запас древостоя увеличились, причем, как и ранее, синхронно на всех участках. Доля сухостоя также увеличилась во всех зонах, но не синхронно: наиболее существенно (до 80%) — в импактной. Последнее свидетельствуе
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.