The tree layer structure of forest communities of the Kola Peninsula central part formed when aerotechnogenic emissions reduced

Full Text

Заселение данного региона сосной обыкновенной произошло после схода ледника примерно 11,7 тыс. лет назад. Основные площади распространения вида расположены в Фенноскандии, на севере европейской и центральной части России и на востоке Центральной Европы. Распространение по большей части ограничивается другими, более теневыносливыми видами деревьев; формирование лесных массивов с преобладанием сосны обыкновенной может происходить только за пределами лесных сообществ с доминированием сциофитных видов в древесном ярусе (так называемая «темнохвойная тайга»). Однако, учитывая широкое распространение вида в резко различающихся по климатическим и лесорастительным условиям, можно говорить о низкой требовательности и возможности существования в широком диапазоне экологических факторов [1-3]. Сосна обыкновенная является основной лесообразующей породой на севере европейской части России (наряду с некоторыми другими видами) и формирует весьма внушительные лесные массивы на Европейском Севере (данный вид образует до половины всех облесенных площадей региона). Следует отметить, что таежные сообщества данного региона сформированы другой хвойной породой, а именно елью сибирской (Picea obovata Ledeb.) и елью европейской (Picea abies (L.) H. Karst.) - в меньшей степени. Изучение видов, входящих в состав древесного яруса, позволяет рассматривать различные аэротехногенные воздействия на протяжении длительного промежутка времени (в течение жизни каждой отдельной особи и ее частичном суммировании для всего сообщества целиком). В целом Мурманская область - промышленно развитый регион, на территории которого расположены крупнейшие предприятия по добыче, обогащению и выплавке черных и цветных металлов (ОАО «Североникель», ОАО «Печенганикель» - дочерние предприятия ОАО «Кольская ГМК»; АО «Апатит» - дочернее предприятие ОАО «ФосАрго» и т. д.), ведущие свою деятельность с 20-30-х гг. ХХ в. Параллельно с деятельностью промышленных объектов ведутся исследования по оценке влияния отходов производства на растительные сообщества, наибольшая активность которых пришлась на 1960-1970-е гг. [4-6]. Примерно в это время начинается активная работа сотрудников Лаборатории экологии растительных сообществ по экологической оценке и мониторингу растительных сообществ, находящихся в зоне воздействия аэротехногенных поллютантов. В это же время были успешно апробированы методы оценки лесных сообществ применительно к конкретным условиям (северная тайга, аэротехногенное загрязнение). Также были выделены границы импактной и буферной зон, выявлены некоторые базовые закономерности формирования растительных сообществ, находящихся под постоянным воздействием промышленных загрязнителей (индекс жизненного состояния, видовой состав напочвенных ярусов и т. д.) (рис. 1-3). Цель работы - сравнительная оценка временных рядов виталитетной структуры древесного яруса в сосняках, произраставших в зоне действия аэротехногенных поллютантов комбината ОАО «Североникель». a/a Выбросы Выбросыб/b Рис. 1. Динамика атмосферной эмиссии тяжелых металлов (а) и сернистого ангидрида (б) предприятия «Североникель» в 1970-2005 гг. (по [1]) / Figure 1. Dynamics of atmospheric emission of heavy metals (а) and sulfur dioxide (b) of the Severonickel enterprise, 1970-2005 [1] Объект и методы исследований Исследования проводились на материале, собранном в период с 2015 по 2018 г. в ходе полевых экспедиций в Мончегорский район Мурманской области. Объектом исследования являются сосняки лишайниково-зеленомошные, возраст которых - 60-80 лет (средневозрастные сосняки, Va и Vб классы бонитета). В зависимости от удаления от источника загрязнения, как было указано ранее, выделены две зоны в зависимости от уровня загрязнения и уровня нарушенности: импактная (10-15 км) и буферная (25-35 км). Именно такая градация обусловлена ярко выраженными изменениями в условиях (и, соответственно, характером растительности) данных территорий. На сегодняшний день наиболее наглядно это различие можно продемонстрировать, используя «индекс техногенной нагрузки» (отношение реального содержания конкретных поллютантов (в данном случае рассматривается суммарное значение меди, никеля и кобальта) данной территории к содержанию этих же веществ в фоновом районе (не подверженном воздействию промышленных выбросов)). Для буферной зоны данный показатель составляет от 10 до 15 (то есть превышение тяжелых металлов в сравнении с нормой составляет 10-15 раз), а для импактной зоны - 80 и более. Содержание_почва Содержание_почва Рис. 2. Абсолютные значения Ni и Cu в органогенных горизонтах в 2014-2017 гг. (по [3]) / Figure 2. Absolute values of Ni and Cu in organic horizons, 2014-2017 (according to [3]) Как уже было сказано выше, основными поллютантами являются диоксид серы (SO2) и полиметаллическая пыль (Cu, Ni, Co). Это обусловлено характером производства, которое ведется на комбинате «Североникель», а именно выплавка цветных руд. Данный процесс включает как обжиг самих руд, побочным продуктом которого является выделение диоксида серы, так и очистку уже готовых металлов, в результате которого происходит выброс металлической пыли. Данная пыль, несмотря на свои малые размеры, все же является твердым веществом, что существенно ограничивает ее перемещение с воздушными массами (содержание ее в окрестностях комбината снижается экспоненциально по мере удаления от источника загрязнения). Диоксид серы имеет более обширную площадь распространения, так как, помимо своего агрегатного состояния (газ), является кислотным оксидом, что позволяет ему вступать в реакцию с атмосферной влагой и преобразовываться в нестабильную сернистую кислоту. Содержание_побеги CuСодержание_побеги Рис. 3. Абсолютные значения Ni и Cu в побегах черники (Vaccinium myrtillus L.) в 2014-2017 гг. (по [3]) / Figure 3. Absolute values of Ni and Cu in the shoots of blueberries (Vaccinium myrtillus L.), 2014-2017 (according to [3]) Выборка была сформирована на четырех постоянных пробных площадях (ППП): ППП 10О - 10 км (N 68 00.384, E 032 55), ППП 27О - 25 км (N 68 06.817, E 033 19.455) 541 - севернее источника загрязнения; ППП 29 - 15 км (N 67 44.216, E 032 46.447), ППП 3 - 35 км (N 67 38.168, E 032 42.234) - южнее источника загрязнения. Две пробные площади были заложены севернее источника загрязнения, две южнее (рис. 4). Такое количество и расположение пробных площадей обусловлено спецификой расположения сосновых лесов в окрестностях комбината и их доступностью для долгосрочных и продолжительных исследований. Карта_РУДН Рис. 4. Места закладки постоянных пробных площадей на различном удалении от источника загрязнения Мончегорского района Мурманской области / Figure 4. Places of laying permanent sample plots at different distances from the source of pollution in the Monchegorsk district of the Murmansk region Для особей, формирующих древесный ярус на данных ППП, были определены следующие данные: определены диаметр ствола, высота дерева и категория состояния (по данному показателю мы исходили из общепринятой шкалы категорий жизненного состояния древесных форм [8]: I - здоровые особи; II - ослабленные особи; III - сильно ослабленные особи; IV - усыхающие особи; V - сухие особи). Исходя из данного распределения, был определен индекс жизненного состояния древостоя [8-10] по формуле , где In - индекс жизненного состояния; n1 - количество здоровых особей; n2 - количество ослабленных особей; n3 - количество сильно ослабленных особей; n4 - количество усыхающих особей; n - общее количество особей. Данная формула широко используется в лесном хозяйстве и имеет две вариации: количественную (использованную в данной работе) и процентную, предусматривающую изначально оперировать с процентными соотношениями различных категорий лесообразующей породы. Следует отметить, что к ярусу древостоя нами были отнесены все особи основной лесообразующей породы, имеющие на высоте 1,3 м диаметр ствола 4 см и более [7; 8]. Необходимость этого допущения обусловлена тем, что в зоне северной тайги рост деревьев снижен по сравнению с характером роста аналогичных видов средней и южной тайги, где к ярусу древостоя относят особи, достигшие 6-8 см в диаметре на высоте 1,3 м. Результаты и обсуждение В ходе исследования нами была выявлена следующая закономерность: виталитетная структура, а следовательно, индекс жизненного состояния для данных сосновых сообществ в условиях снижающегося воздействия аэротехногенных поллютантов сохраняют устойчивость на протяжении рассматриваемого временного интервала. При рассмотрении динамики изменения индекса жизненного состояния мы получили следующие результаты. В импактном районе виталитетная структура почти полностью без изменений - для 2015 г. среднее значение индекса жизненного состояния составило 0,53 (0,56 для ППП 10О и 0,49 для ППП 29). Статистическое распределение групп особей по категориям жизненного состояния составило: - для ППП 10О - 15,7 % здоровых, 30,4 % ослабленных, 45,1 % сильно ослабленных и 8,8% усыхающих деревьев; - для ППП 29-21,7 % здоровых, 20,7 % ослабленных, 24,8 % сильно ослабленных и 32,8 % усыхающих деревьев. Среднее значение индекса жизненного состояния для 2017 г. в среднем составило 0,53 (0,55 для ППП 10О и 0,48 для ППП 29). Статистическое распределение групп особей по категориям жизненного состояния составило: - для ППП 10О - 17,3 % здоровых, 30,2 % ослабленных, 39,7 % сильно ослабленных и 5,5% усыхающих деревьев; - для ППП 29 - 25,8 % здоровых, 18,4 % ослабленных, 18,9 % сильно ослабленных и 16,1 % усыхающих деревьев. Для 2018 г. данные показатели остались без изменений и составили в среднем 0,53 (0,56 для ППП 10О и 0,48 для ППП 29). Статистическое распределение групп особей по категориям жизненного состояния осталось без изменений. В буферном районе для 2015 г. среднее значение индекса жизненного состояния составило 0,81 (0,83 для ППП 27О и 0,79 для ППП 3). Статистическое распределение групп особей по категориям жизненного состояния составило: - для ППП 27О - 70,8 % здоровых, 5,6 % ослабленных, 19,4 % сильно ослабленных и 4,2% усыхающих деревьев; - для ППП 3 - 64,2 % здоровых, 12,6 % ослабленных, 10,6 % сильно ослабленных и 12,6 % усыхающих деревьев. Для 2017 г. данный показатель в среднем составил 0,83 (0,84 для ППП 27О и 0,81 для ППП 3). Статистическое распределение групп особей по категориям жизненного состояния составило: - для ППП 27О - 72,0% здоровых, 6,3 % ослабленных, 18,0 % сильно ослабленных и 1,5 % усыхающих деревьев; - для ППП 3 - 66,9 % здоровых, 14,3 % ослабленных, 8,8 % сильно ослабленных и 3% усыхающих деревьев. Для 2018 г. индекс жизненного состояния для буферного района, так же как и для импактного остался без изменений и составил в среднем 0,83 (0,84 для ППП 27О и 0,82 для ППП 3). Статистическое распределение групп особей по категориям жизненного состояния, так же как и в импактной зоне, не подверглось каким-либо существенным изменениям (табл. 1, рис. 5) и находится в пределах погрешности при статистической обработке полученного материала) [9]. КС_РУДН Рис. 5. Виталитетная структура древесного яруса для сообществ сосны обыкновенной, находящихся в зоне воздействия аэротехногенными выбросами комбината «Североникель» в 2015-2018 гг. / Figure 5. The vitality structure of the tree layer for Scots pine communities in the area affected by aerotechnogenic emissions from the Severonickel plant, 2015-2018 Таблица 1. Распределение в сообществе Pinus sylvestris особей по категориям жизненного состояния в условиях различной техногенной нагрузки / Table 1. Distribution of individuals in the community of Pinus sylvestris by categories of life status under conditions of various technogenic pressure Количество особей на ПП / Number of individuals on the sample plot, % Постоянные пробные площади / Permanent sample plots Импактные / Impact Буферные / Buffer 10О Север10 км / North 10 km 29 Юг 15 км / South 15 km 27О Север 25 км / North 25 km 3 Юг 35 км / South 35 km 2015 Здоровые / Healthy 15,7 21,7 70,8 64,2 Ослабленные / Defoliated 30,4 20,7 5,6 12,6 Сильно ослабленные / Severely defoliated 45,1 28,4 19,4 10,6 Усыхающие / Withered 8,8 32,8 4,2 12,6 2017 Здоровые / Healthy 17,3 25,8 72,0 66,9 Ослабленные / Defoliated 30,2 18,4 6,3 14,3 Сильно ослабленные / Severely defoliated 39,7 18,8 18,0 8,8 Усыхающие / Withered 5,5 16,1 1,5 3,0 2018 Здоровые / Healthy 18,1 25,9 72,2 67,3 Ослабленные / Defoliated 30,4 18,5 6,3 14,8 Сильно ослабленные / Severely defoliated 39,3 18,6 17,8 8,1 Усыхающие / Withered 5,1 16,1 1,4 3,2 Заключение В результате проведенного исследования хорошо заметно, что виталитетная структура и индекс жизненного состояния сообществ Pinus sylvestris в исследуемом регионе на имеющихся постоянных пробных площадях в период с 2015 по 2018 г. изменился незначительно, несмотря на явную тенденцию к снижению аэротехногенных выбросов полиметаллической пыли и сернистого ангидрида предприятием и, как следствие, уменьшению содержания кислоторастворимых форм тяжелых металлов в верхних горизонтах почвы и ассимиляционных органах растений. Также отметим, что для фоновых районов показатель жизненного состояния находится в диапазоне от 0,8 до 0,9, что несущественно отличается от буферной зоны, испытывающей явную техногенную нагрузку. Основным объяснением столь явно противоречивых на первый взгляд данных может быть тот факт, что древесный ярус при любом уровне воздействия (в пределах зоны толерантности) будет реагировать на изменения окружающей среды в значительном временном диапазоне, нежели другие жизненные формы. Также это может быть связано с продолжительной аккумуляцией тяжелых металлов в различных горизонтах почвы (как органогенных, так и минеральных), что и вызывает весьма длительное восстановление сосновых лесов импактной и буферной территорий.

About the authors

Alexander S. Evdokimov

Herzen State Pedagogical University of Russia

Author for correspondence.
Email: evdokimov89@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8871-4774
SPIN-code: 8151-6417

Researcher, Department of Botany and Ecology, Faculty of Biology

Russian Federation, 191186, St. Petersburg, Moika emb., 48

Vasily T. Yarmishko

Komarov Botanical Institute of Russian Academy of Sciences

Email: yarmishko@binran.ru
SPIN-code: 4483-9930
Dr. Sc., Professor, Department Head, Department of Botanical Garden 2 Professor Popova St, St. Petersburg, 197022, Russian Federation

References

Supplementary files