Ход роста Pinus sylvestris L. на северном пределе распространения в условиях атмосферного загрязнения

Всестороннее изучение особенностей прироста древесины основных лесообразующих пород является актуальным в настоящее время не только с точки зрения оценки биологической продуктивности лесных экосистем, но и как фактической основы для оценки эффектов популяционных взаимоотношений, в частности, выяснения причин индивидуальной изменчивости и устойчивости древесных видов под влиянием природных и антропогенных факторов. Цель настоящей работы – изучить влияние промышленного атмосферного загрязнения разной интенсивности на радиальный прирост древесины сосны обыкновенной в условиях Кольского Севера.

Многолетние комплексные исследования проводились на постоянных пробных площадях (ППП) в сообществах сосны обыкновенной, относящихся к двум наиболее распространенным на Кольском полуострове группам ассоциаций, – соснякам лишайниковым и зеленомошным на иллювиальножелезистых подзолистых почвах [9].

Большинство ППП ориентированы по градиенту загрязнения к юго-западу от источника эмиссии (по направлению господствующих ветров). Часть из них расположена в фоновых условиях на удалении 60 км и более от медно-никелевого комбината, расположенного в г. Мончегорске. Средняя концентрация SO 2 в воздухе за вегетационный период здесь составляет менее 10 мкг/м³, содержание тяжелых металлов (Ni, Co, Cu) в растениях и почве не превышает 14-16 мг/кг. В 30-35 км к юго-западу от источника эмиссии расположен район среднего атмосферного загрязнения, где концентрация SO 2 в воздухе варьирует в пределах

25-35 мкг/м3, а содержание тяжелых металлов в верхних горизонтах почвы в 10-12 раз больше, чем в фоновых сообществах. Последняя группа ППП сосредоточена в радиусе 8-15 км от эпицентра промышленных выбросов и отличается высоким уровнем загрязнения окружающей среды: средняя концентрация двуокиси серы в воздухе за вегетационный период превышает 40 мкг/м3, а Ni и Cu в растениях и почве в 150-200 раз больше, чем в фоновых условиях (на контроле). Здесь сохранились лишь молодые древостои сосны обыкновенной, состояние которых можно классифицировать как сильно поврежденные или отмирающие.

Методика подбора, закладки ППП и детального описания древесной растительности описана нами ранее [9, 5]. Для получения количественных данных при изучении особенностей роста по диаметру сосны обыкновенной на каждой пробной площади (в пределах рабочей зоны) были отобраны по 15-25 модельных деревьев.

Для определения интенсивности прироста древесины сосны обыкновенной у моделей были отобраны буравом Пресслера керны по двум направлениям – северном и южном – на высоте 1,3 м от корневой шейки; у других моделей, используемых для оценки запасов фитомассы и качества древесины, выпиливали диски (спилы толщиной 1,5-2 см). Анализ образцов осуществлялся на спилах по 4 направлениям (по сторонам света). Особенно это важным было для образцов древесины сильно поврежденных и перестойных деревьев из районов интенсивного атмосферного загрязнения, где нередко наблюдается выпадение годичных слоев, частичное их формирование, а также образование ложных слоев. У сильно поврежденных моделей возникала необходимость оценивать целост- ность каждого годичного слоя по всей окружности (особенно за последние 30-40 лет). Измерение ширины годичных слоев древесины (с точностью до 0,01 мм) проводилось с помощью прибора собственной конструкции [8]. Принцип работы прибора и методика измерений ширины годичных слоев описаны нами ранее [8, 9]. Статистический анализ данных и вычисление коэффициентов корреляции выполнены на компьютере с помощью стандартного пакета программ StatGraphics [2, 16].

Исследованиями установлено, что средний ежегодный прирост древесины в 50летних сосняках зеленомошных в Ливском и Ловозерском фоновых районах за исследуемый период (1960-1990 гг.) составлял 1.11 мм и 1.14 мм соответственно. В 1960-е годы у молодых сосен интенсивность радиального прироста была близка к средней (1.06-1.24 мм/год), а затем активность его резко стала увеличиваться и в 1976-77 гг. он достиг своего максимального значения на обоих участках – 1.5-1.7 мм в год. Постепенным спадом интенсивности прироста древесины сосны обыкновенной характеризуются 1980-е годы. Особенно это заметно на участке в Ловозер-ском районе, где густота древостоя в 4-5 раз была выше, чем в сосняках Ливского района.

Анализ кривых абсолютных значений радиального прироста сосны обыкновенной трех поколений (300, 200 и 120-130 лет) в фоновом районе позволил установить, что у особей всех возрастных групп отчетливо выражены кратковременные циклы флуктуации прироста по диаметру. Они, как правило, имеют синхронный характер и заметно отличаются по амплитудам колебаний прироста. Следует отметить, что амплитуда флуктуации прироста относительно молодых особей сосны обыкновенной (II-го и III-го поколения) больше, чем у спелых или перестойных деревьев. Прирост древесины у 300летних и старше сосен относительно стабилен, особенно в последние 30-40 лет. Интенсивность его у молодых особей сосны в 2 раза выше, чем у 300-летних. Причем, сосны II-го и III-го поколения имеют очень близкие по значению приросты в исследуемый период.

В районе сильного атмосферного загрязнения прирост древесины сосны обыкновенной III класса возраста в начале 1960-х годов был достаточно близким по своей абсолютной величине с приростом одновозрастной сосны в фоновых районах. В дальнейшем, по мере увеличения мощности комбината, а также с началом использования в 1968-69 гг. норильской руды, отличающейся от местной повышенным содержанием серы, в районе сильного загрязнения произошло заметное снижение радиального прироста сосны, которое продолжается до настоящего времени. В фоновых древостоях также отмечалось некоторое уменьшение радиального прироста сосны в период с 1976 по 1984 гг., а затем его значения стали постепенно увеличиваться.

Особый интерес представляет рост сосны по диаметру в районе умеренного уровня атмосферного загрязнения. Интенсивность радиального прироста сосны в этих условиях была выше в период с 1960 по 1983 гг., чем на контроле. Объяснить это можно, видимо, временным мелиорирующим эффектом бедных северо-таежных почв отходами медно-никелевого производства. Подтверждением тому является интенсивное разрастание микориз на корнях сосны в районах умеренного и среднего загрязнения [9]. С 1965 года кривая роста приобрела нисходящий характер, а в 1984 году абсолютные значения прироста по диаметру здесь были впервые ниже, чем в фоновых древостоях. С этого периода наблюдается резкое падение прироста древесины у сосны обыкновенной в рассматриваемых условиях.

Анализ ширины годичных слоев сосны разных классов жизненного состояния в районе умеренного уровня промышленного загрязнения свидетельствует о том, что пого-дичная изменчивость радиального прироста у них происходит почти синхронно. Наиболее отчетливо увеличение прироста прослеживается у здоровых деревьев в 1964-1966 гг. Затем наблюдается его падение, о котором можно говорить как о естественном колебании, очевидно, внутривекового ритма. На фоне нисходящей фазы проявляется по-годичная изменчивость. Последний согласованный всплеск увеличения радиального прироста сосны всех трех категорий жизненного состояния наблюдался в 1979-80 гг. После этого начался период существенного снижения прироста по диаметру. Более интенсивное снижение наблюдается у отми- рающих (усыхающих) особей, хотя ослабленные сосны по абсолютным значениям прироста довольно близко расположены к первым.

Анализ данных погодичной динамики прироста сосны обыкновенной в спелых и перестойных древостоях, расположенных в районах с разной степенью техногенного загрязнения показывает, что до 1940-х годов древостои характеризовались достаточно устойчивым радиальным приростом с присущими ему погодичными флуктуациями. Синхронность в погодичной изменчивости прироста в этот период была достаточно высокой. В районе сильного загрязнения с 1943 года у сосны обыкновенной наблюдалось устойчивое снижение прироста по диаметру. На фоне нисходящей линии прироста проявляется его погодичная изменчивость. Очень резкое падение прироста в этих условиях у сохранившихся старых деревьев (300-400 лет) наблюдалось с середины 1970-х годов, когда абсолютные его значения колебались в пределах от 0.16 до 0.08 мм в год.

В районе умеренного загрязнения последний всплеск радиального прироста у сосны обыкновенной наблюдался в 1960-62 гг. После этого периода проявляются четкие тенденции снижения прироста от года к году, причем особенно это резко происходит с начала 1980-х годов. В настоящее время интенсивность прироста старых сосен в рассматриваемых условиях не превышает 0.12-0.16 мм против 0.60-0.70 мм в фоновых древостоях.

Корреляционный анализ рядов радиального прироста сосны обыкновенной в районах умеренного и сильного загрязнения и объемов выбросов газообразных веществ и твердых частиц достоверно обнаруживает отрицательную связь. Значимая корреляция существует как между радиальным приростом сосны и количеством выбрасываемой в атмосферу двуокиси серы (г= -0.47; n=23; Р<0.05), так и количеством твердых частиц (г= -0.77; n=11; Р<0.05). Следует отметить, что выявленная связь гораздо теснее в районе сильного загрязнения, чем в условиях умеренного промышленного загрязнения.

Финские исследователи [13] выявили положительную связь между радиальным приростом и средней температурой июля в 30- летних древостоях сосны обыкновенной в незагрязненных районах. Однако в окрестностях предприятия по производству минеральных удобрений корреляции между приростом и температурой июля не было обнаружено. В этих условиях, по мнению авторов, ширина годичных колец сосны зависит от действия выбрасываемых удобрений (пыли) и токсических агентов. Связь радиального прироста с интенсивностью эмиссий была выявлена другими авторами [3, 10, 11, 12, 14, 15, 17].

В другом примере расчет приводится для условно здоровых и сильно поврежденных особей сосны обыкновенной 50-летнего возраста в районе умеренного загрязнения. В этих условиях наблюдается резкое снижение прироста по диаметру у деревьев всех классов жизненного состояния с 1981-1982 гг. Прирост здоровых деревьев снизился за десятилетие (1981-1990 гг.) в среднем на 32 % по сравнению с периодом 1969-1980 гг. Обращает внимание относительно большее (в 2 с лишним раза) снижение прироста условно здоровых и здоровых деревьев в районе умеренного загрязнения лесных экосистем, чем в фоновых древостоях. Причину этого мы видим в хроническом техногенном загрязнении. И если по внешнему виду крон (отсутствие повреждения хвои, незначительное снижение продолжительности ее жизни, отсутствие сухих ветвей в верхней части и по периферии крон и др.) часть деревьев еще можно отнести к классу "здоровые", то данные радиального прироста свидетельствуют об угнетении роста, об отрицательном воздействии атмосферных загрязнителей. Такие деревья необходимо относить уже к классу "ослабленные" (поврежденные).

Одним из важных разделов наших исследований была оценка влияния атмосферного загрязнения на особенности формирования годичных слоев древесины сосны обыкновенной на разной высоте ствола при вершинном типе повреждения и отмирания деревьев. Исследования проводились в 50летних древостоях сосны обыкновенной в фоновом районе (Уполокшском) и районе умеренного загрязнения (Чунозерский), где объектами детального изучения были здоровые, ослабленные и сильно ослабленные особи. Из каждого модельного дерева у шей- ки корня (0 м), на высоте 1 м и далее через каждый метр по высоте отбирали спилы. На каждом из образцов инструментально измерялись годичные слои по 4-м направлениям (отдельно ширина ранней и поздней древесины в мм).

Исследования показали, что в фоновых условиях ширина годичных слоев имеет большие абсолютные значения в верхней части ствола, чем у основания. Примечательно, что возникшая "этажность" дендрограмм при формировании годичных слоев сохраняется практически на протяжении всего периода роста сосны. Исключение составляет лишь прирост у корневой шейки, что связано, видимо, с биологическими особенностями сосны обыкновенной в условиях Европейского Севера. В 1960-х - начале 1970-х гг. выявленная "этажность" дендрограмм, отражающих радиальный прирост на разной высоте ствола в фоновых древостоях, имела место и в условиях умеренного загрязнения. Однако в конце 1970-х годов, в период общего спада прироста в рассматриваемом регионе и постепенного накопления токсикантов в лесных экосистемах, интенсивность радиального прироста резко упала на всех исследованных уровнях по стволу, а абсолютные значения стали очень близкими.

Исследования ширины годичных колец сосны по высоте другими авторами показывают, что от основания до высоты 1-3 м, реже 5 м, ширина их чаще всего уменьшается до минимума, после чего наблюдается стабильное увеличение и у вершины слой достигает максимальных размеров [1, 4, 6]. Заметное уменьшение ширины годичных слоев в верхних частях стволов сосны в условиях средних уровней загрязнения целиком и полностью связано, по нашему мнению, с негативным воздействием отходов медно-никелевой промышленности (окислов серы в сочетании с тяжелыми металлами).

Доля поздней древесины в формировании годичного слоя в фоновых древостоях постепенно снижается по мере продвижения от основания к вершине ствола. Подобное прослеживается и в районе среднего уровня загрязнения примерно до середины ствола. Начиная с 5-го м, участие поздней древесины заметно возрастает, достигая своего максимального значения на самой вершине, что является косвенным доказательством угнетения прироста. Любопытно, что снижение ширины годичного слоя произошло на 6-м м, а заметное увеличение доли поздней древесины - на 5-м м. Последнее дает основание считать, что поздняя часть древесины годичного слоя более четко реагирует на действие загрязнителей, чем весь слой, и может быть использована в качестве диагностического признака состояния, как отдельных деревьев, так и древостоев в целом.

В заключение необходимо отметить, что достаточно интенсивный радиальный прирост сосны обыкновенной на Кольском Севере продолжается до 45-50 лет, а по данным В.Ф.Цветкова и В.И.Цветковой [7] даже дольше, до 50-60 лет. В достаточно густых древостоях (12-15 тыс. шт./га) он заметно снижается с 25-30-летнего возраста. Кульминация годичного радиального прироста совпадает с периодом максимального роста в высоту сосны. Максимальные значения годичного прироста по диаметру сосны обыкновенной были отмечены в 1930-1940-х годах у сохранившихся в настоящее время 80100-летних особей в 8-10 км южнее г. Мончегорска. Ширина годичных слоев в этот период у сосны варьировала в пределах от 2.06 мм до 2.46 мм. В рассматриваемом районе (близ комбината «Североникель») минимальный прирост по диаметру у сосны зафиксирован в 1986-1990 гг. как у молодых (50-летних), так и отдельно сохранившихся 400-летних особей. Абсолютные значения его не превышали 0.05-0.08 мм в год.

При анализе образцов (спилов) древесины ствола из района сильного загрязнения имели место случаи полного или частичного выпадения годичных слоев у сосны обыкновенной. Так, например, в 50-летних древостоях у сильно ослабленных особей в 28-30летнем ряду наблюдений выпали 4 годичных слоя. У отдельных модельных деревьев они были полными. Самый маленький, частично образованный, годичный слой не превышал 15-20 % от полной его окружности. Это дает нам основание сделать вывод о том, что отбирать образцы древесины для дендроинди-кационных исследований из районов экстремальных климатических условий или достаточно сильного атмосферного загрязнения необходимо только в виде спилов (дисков).

При этом нужно обследовать каждый годичный слой по всей окружности с тем, чтобы убедиться в его целостности или случаях частичного выпадения.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы ОБН РАН «Биологические ресурсы России: динамика в условиях глобальных климатических и антропогенных воздействий».