Поврежденность хвойных древостоев устья и дельты Северной Двины в условиях атмосферного загрязнения

Для классификации нарушенных экосистем большинство авторов проводит зонирование территории по степени аэро-техногенного загрязнения, как правило, связывая зоны с расстоянием от источника выбросов, например, в Мурманской области выделяли от трех до семи зон деградации лесов [3, 4, 7, 11, 19-21]. Подход к типизации техногенно нарушенных экосистем методом зонирования предлагался в руководящих документах ЮНЕП [22], в которых выделено три основных зоны: фоновая, буферная и импактная. Такое деление использовалось системой Госком-гидромета СССР [8].

В зарубежных исследованиях лесных экосистем часто используется градиентный подход ( gradient studies ), основанный на выборе объектов исследований по градиентам концентраций загрязняющих веществ в различных компонентах окружающей среды (атмосфере, почве, водах) [23, 24]. Однако при детальном анализе зон, выделяемых на лесных территориях, и объектов, расположенных по градиентам загрязнения атмосферы, обнаруживается, что в одной и той же зоне и при сходных характеристиках загрязнения атмосферы формируются леса различного жизненного состояния. На лесных территориях наблюдается мозаика стадий дигрессионных и демутационных сукцессий, обусловленных

исходной вариабельностью внешних параметров (геомофологического положения, состава почвообразующих пород) и одновременным действием различных антропогенных факторов (не только загрязнения, но и рубок, пожаров и т.д.).

Объекты и методика. Исследования проведены на временных и постоянных пробных площадях в северотаежных лесах устья и дельты Северной Двины, подверженных аэротехногенному загрязнению промышленных предприятий и объектов теплоэнергетики Архангельской агломерации. Краткая лесоводственно-таксацион-ная характеристика изучаемых участков в северотаежной подзоне приведена в табл. 1.

Закладка пробных площадей осуществлялась в соответствии с принятыми в лесоустроительной практике стандартами [12]. При лесоводственно-геоботанической и таксационной характеристике пробных площадей руководствовались общепринятыми методами [2, 10, 13, 16]. Оценку состояния деревьев проводили методом не-провешенной ходовой линии по категориям (классам) повреждения согласно [14, 15], а древостоев в целом для отдельных пород – по формуле [20]:

I =

E iW .

A

W - 1

;

V i = 1

где I – индекс повреждения древостоя; i – номер класса повреждения, баллы, от 1 до 6; W i – статистический вес деревьев i- го класса повреждения; W – сумма статистических весов (численность, запас деревьев).

Таблица 1. Лесоводственно-таксационная характеристика опытных участков

Группа типов леса	Кол-во пробных площадей	Расстояние до источника выбросов, км	Класс бонитета	Класс возраста	Полнота древостоя
Сосновые леса
зеленомошная	21	5-90	IV	III-VI	0,7-0,8
долгомошная	10	8-70	IV-V	IV-VI	0,5-0,8
травяная	3	7-50	IV	IV-VI	0,6-0,8
сфагновая	43	1-60	V-Vб	IV-VII	0,4-0,6
Еловые леса
зеленомошная	20	5-120	III-IV	IV-VIII	0,6-0,8
долгомошная	10	5-70	IV-V	VI-VIII	0,6-0,7
травяная	4	3-30	IV-V	V-VIII	0,7

Рис. 1. Численность здоровых деревьев (%) в древостоях сосны (а) и ели (б)

Рис. 2. Интегральные показатели повреждения древостоев сосны (а) и ели (б) Показатели энтропии, индекса состояния и плотности повреждения еловых древостоев по румбам различаются слабо (табл. 4), а по группам типов леса почти не различаются (табл. 5).

Таблица 2. Поврежденность сосновых древостоев на различным румбам

Румб	Расстояние до «высокого» источника эмиссий, км	N	I	p i	H', нит
Ю-В	1-70,0	36/30*	1,87	0,018	1,03
С-В	4-18,5	12/12	1,67	0,017	1,04
З	5-15	6/6	1,67	0.016	1,01
С	7	1/1	1,15	0,011	0,45
Ю	44,5-90	4/3	1,71	0,017	1,12
Ю-З	1-13,5	3/3	1,60	0,016	0,89

Примечание : в табл. 2 – 5 * – число пробных площадей, по которым рассчитывали показатели энтропии, N – число пробных площадей.

Таблица 3. Поврежденность сосновых древостоев разных групп типов леса

Группа типов леса	Расстояние до «высокого» источника эмиссий, км	N	I	p i	H' , нит
сфагновая	1-52	33/30*	1,92	0,018	1,07
долгомошная	5,5-70	10/9	1,95	0,019	1,15
травяная	6,5-50	3/3	1,39	0,013	0,69
зеленомошная	5-90	16/13	1,52	0,016	0,87

Таблица 4. Поврежденность еловых древостоев по различным румбам

Румб	Расстояние до «высокого» источника эмиссий, км	N	I	p i	H' , нит
Ю-В	8-70	13	1,33	0,041	0,64
В	10,5	1	1,22	0,037	0,58
С-В	5-18	5	1,14	0,035	0,46
З	5	1	1,15	0,035	0,44
С-З	14	1	1,05	0,032	0,21
С	7,5	1	1,08	0,033	0,27
Ю	45-110	4	1,28	0,039	0,49

Таблица 5. Поврежденность еловых древостоев разных групп типов леса

Группа типов леса	Расстояние до «высокого» источника эмиссий, км	N	I	p i	H' , нит
зеленомошная	5-52	14	1,29	0,039	0,56
долгомошная	5-70	9	1,19	0,036	0,51
травяная	5.5-110	3	1,29	0,040	0,47

В качестве статистических весов деревьев разных классов повреждения использовали численность деревьев. При классификации категорий состояния древостоев северной подзоны тайги в действующую общепринятую шкалу были внесены региональные коррективы [11]. Рассчитывали плотность повреждения древостоев (ρ i ) по формуле [1]:

I i

2 г

где I i – индекс состояния (средний класс повреждения деревьев) древостоев i- ой пробной площади.

Рассчитывали также показатель энтропии, характеризующий меру разнообразия состояния деревьев и отражает степень дифференциации статистических весов деревьев по классам (категориям) повреждения. Расчет проводили по формуле Шеннона:

H ' = - 2 Pi ln Pi;         (3)

i = 1

где Н ' – индекс разнообразия, р i - вероятность распределения статистических весов деревьев по каждому из 6-и классов повреждения. При этом 2 Pi = 1. Пространственные поля локального и регионального атмосферного загрязнения в СевероДвинском бассейне определены нами ранее [9, 18].

Результаты и обсуждение. Численность здоровых деревьев наиболее дифференцирована в сосновых лесах в зависимости от степени атмосферного загрязнения и естественных условий их произрастания (рис. 1). Особо следует выделить зону, преимущественно в городских и пригородных лесах вблизи Архангельска, с низкой частотой встречаемости в древостоях (до 25%) неповрежденных деревьев. Численность здоровых деревьев ели в древостоях городских и пригородных лесов Архангельской агломерации значительно выше (до 40%). По величине интегрального показателя состояния (индекса повреждения) сосновые древостои в районе Архангельской агломерации относятся к категории «слабо поврежденные». Жизненное состояние еловых лесов лучше и почти не выходит за пределы категории «не поврежденные» (рис. 2).

Сосновые насаждения, произрастающие в юго-восточном направлении по отношению к так называемым «высоким» источникам интенсивных выбросов в атмосферу (с высотой дымоотводящих труб более 100 м), прежде всего ТЭЦ, ЦБК, имеют наибольшие индекс и относительную плотность повреждения древостоев. Показатель энтропии распределения деревьев разных категорий состояния в древостоях сосны имеет наибольшее значение в южном, а наименьшее – в северном направлениях (табл. 2). Более высокие значения индекса плотности и энтропии повреждения характерны для сфагновой и дол-гомошной групп типов сосновых лесов, далее по убыванию следуют зеленомошные и травяные сосняки (табл. 3).

Статистический анализ. Проверка нулевой гипотезы при однофакторном дисперсионном анализе (ОДА) [6] зависи- мости индекса и плотности повреждения древостоев от расстояния до «высоких» источников эмиссии нашла подтверждение

( F < F 0,05 ) в отношении сосновых древостоев сфагновой и зеленомошной групп типов леса и отрицание ( F>F 0,05 ) - в отношении сосняков долгомошной группы. Следовательно, расстояние до источников атмосферного загрязнения оказывает систематическое действие на индекс и плотность повреждения сосновых древостоев только в долгомошной группе типов леса (ОДА, F =5,86-6,52, Р =0,03, показатель силы влияния - ^ =0,65-0,87).

Влияние типа леса в выборочном комплексе: сосняки кустарничковосфагновые (сфагновая группа), черничные влажные (долгомошная группа), черничные свежие, чернично-брусничные и брусничные (зеленомошная группа) на состояние древостоев ( I , p i , , H ' ) достоверно на всех уровнях значимости (ОДА, Р <0.001, П² =0,19-0,27).

Дисперсионный анализ не выявил влияния расстояния до источников эмиссий на индекс, плотность и энтропию повреждения древостоев ели зеленомошной и долгомошной групп типов леса на принятых уровнях значимости (ОДА, F < F 0,05 ). Следовательно, при существующем уровне атмосферного загрязнения различия в жизненном состоянии древостоев ели в настоящее время не проявляются. Значимые различия в состоянии древостоев ели, преимущественно ельников черничных свежих и влажных, близких между собой по условиям произрастания, отсутствуют (ОДА, F < F 0,05 ). Следовательно, для еловых лесов изменчивость поврежденности древостоев в северной тайге устья и дельты Северной Двины носит случайный характер в отношении двух независимых друг от друга факторов - техногенного (расстояние до источников эмиссий) и лесорастительного (близкие друг к другу типы леса).

Выводы:

• 1.    Жизненное состояние сосновых насаждений при атмосферном загрязнении ухудшается в условиях избыточного увлажнения почв, т.е. в неблагоприятных условиях произрастания. Ельники, произрастающие в устье и дельте Северной Двины в более благоприятных почвенногидрологических условиях, в меньшей мере подвержены влиянию атмосферных эмиссий. Сильнее повреждены сосновые и еловые древостои, произрастающие в юговосточном направлении от «высоких» источников интенсивных выбросов.

• 2.    Сложность оценки пространственного изменения повреждения хвойных ле-

• сов устья и дельты Северной Двины вследствие аэротехногенного воздействия определяется тем, что здесь на ограниченном пространстве действует целый комплекс крупных народнохозяйственных объектов, а не отдельные источники интенсивных выбросов, вокруг которых было бы удобно выстраивать изолинии состояния древостоев. При этом важное значение имеют лесорастительные условия и сопутствующее атмосферному загрязнению влияние других антропогенных факторов (рубок, пожаров, и др.). Неоднородность зон по-врежденности проявляется и в возрастной структуре хвойных насаждений. В связи с этим, в зонах с различным уровнем аэро-техногенного воздействия категории состоянии древостоев могут существенно варьировать [17]. Все это создает пестроту, мозаичность лесных ландшафтов в отношении состояния насаждений, а следовательно, затрудняет пространственное выделение зон техногенной нарушенности лесных насаждений с целью проведения соответствующих природоохранных и лесохозяйственных мероприятий.