Автореферат диссертации на соискание ученой степени
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 378.33kb.
- Автореферат диссертации на соискание учёной степени, 846.35kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 267.76kb.
- Акинфиев Сергей Николаевич автореферат диссертации, 1335.17kb.
- L. в экосистемах баренцева моря >03. 02. 04 зоология 03. 02. 08 экология Автореферат, 302.63kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 645.65kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 678.39kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 331.91kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 298.92kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 500.38kb.
На правах рукописи
ВАХНИНА
Ирина Леонидовна
Эколого-биологическое состояние
Pinus sylvestris L. в лесопарковой части
зеленой зоны г. Читы (Восточное Забайкалье)
03.02.08 – экология (биологические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Улан-Удэ – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки
Институте природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, г. Чита
| Научный руководитель: | кандидат биологических наук Макаров Владимир Петрович |
| Официальные оппоненты: | Анцупова Татьяна Петровна доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологии и управления» Кривобоков Леонид Владиленович кандидат биологических наук, н.с. Институт общей и экспериментальной биологии БНЦ СО РАН |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н.Г. Чернышевского» |
Защита состоится «11 апреля» 2012 г. в 10 часов
на заседании диссертационного совета Д 212.022.03
при ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет» по адресу: 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, конференц-зал, факс (3012) 210588, е-mail: d21202203@mail.ru; vahnina_il@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет» (670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а)
Автореферат разослан «9 марта» 2012 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук | Н.А. Шорноева |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Зеленые зоны городов выполняют важнейшие средозащитные, санитарно-гигиенические и рекреационные функции. Поэтому оценка состояния лесных экосистем, находящихся под действием антропогенного влияния, является одной из приоритетных задач в изучении окружающей среды. К ее общепринятым методам относится характеристика древостоя. Принятие научно-обоснованных мер по предотвращению дальнейшей деградации лесов возможно лишь при наличии достоверной информации о причинах, вызывающих угнетение и потерю древостоя.
Древесная растительность лесопарковой части зеленой зоны г. Читы находится под действием техногенных нагрузок, в особенности атмосферных выбросов, уязвимость от которых в отдельные неблагоприятные по климатическим факторам годы может усиливаться. В связи с этим приобретает значение поиск наиболее чувствительных параметров, изучение которых позволит охарактеризовать жизненное состояния древесной породы в исследуемых условиях и выявить определяющие это состояние факторы.
На территории зеленой зоны преобладающей древесной породой является сосна обыкновенная ( Pinus sylvestris L.), которая, в силу своих эколого-биологических особенностей является наиболее информативным объектом для изучения. Морфобиологические характеристики вегетативных и генеративных органов сосны достаточно объективно отражают протекание физиолого-биохимических процессов, а особенности формирования годичного прироста позволяют дать ретроспективную оценку влияния климатических факторов на рост в течение жизни дерева и оценить вклад техногенной нагрузки с момента ее появления.
Цель исследований – выявить основные факторы, влияющие на дендрохронологические, морфобиологические и генеративные характеристики Pinus sylvestris как основной породы пригородных лесов, и определить ее жизненное состояние в зеленой зоне г. Читы.
Для реализации данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- провести измерения ширины годичных колец и осуществить дендрохронологический анализ сосны под действием климатических колебаний и техногенного загрязнения разного уровня;
- изучить влияние природно-техногенных условий на морфобиологические параметры вегетативных и генеративных органов, а также на качественные показатели семян;
- определить жизненное состояние сосновых древостоев, произрастающих в условиях с различным уровнем загрязнения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В локальных климатических условиях зеленой зоны г. Читы динамика годичного радиального прироста сосны обыкновенной определяется количеством атмосферных осадков первой половины текущего и конца предшествующего (сентябрь) сезонов вегетации. Влияние температуры воздуха выражено через соотношение с количеством атмосферных осадков. Отклик радиального прироста на загрязнение выражается в снижении размеров годичного кольца, уменьшении амплитуды его погодичных колебаний, изменении цикличности.
2. Основными факторами, определяющими морфометрические показатели вегетативных и генеративных органов сосны, являются погодно-климатические условия периода вегетации, особенно в период их закладки.
3. Наиболее информативными морфобиологическими показателями техногенного воздействия на сосну обыкновенную в исследуемых условиях является уровень и тип дефолиации крон, а также качественные характеристики семян. Влияние загрязнения на качество семян проявляется в случае, когда закладка и начальный этап их формирования происходили в неблагоприятных погодно-климатических условиях.
Научная новизна. Впервые для Восточного Забайкалья на примере лесопарковой части зеленой зоны г. Читы выполнен анализ влияния природно-техногенных условий на широкий круг дендрохронологических и морфобиологических показателей сосны. Определена динамика ширины древесных годичных колец за 163 года и построена древесно-кольцевая хронология, показавшая характер отклика сосны на климатические изменения за весь период и на возросшие атмосферные выбросы. Выявлены различные по продолжительности циклы прироста и установлена их синхронность с цикличностью климатических характеристик.
Установлена зависимость параметров вегетативных и генеративных органов сосны от погодно-климатических условий в период их закладки и формирования, показан негативный синергетический эффект воздействия загрязнения на качество семян сосны при засушливых условиях в период их закладки, выраженный в снижении энергии прорастания. Дана оценка относительного жизненного состояния древостоев сосны в зеленой зоне города и влияния на него техногенного загрязнения.
Практическая значимость работы
1. Выполненные исследования расширяют базу дендрохронологических данных по регионам Сибири и представляют начальный этап создания сети мониторинга лесного фонда на территории Забайкальского края.
2. Вывод о зависимости качества семян от погодно-климатических условий в период их закладки может использоваться при сборе семян для лесосеменных плантаций.
3. Полученные результаты по оценке жизненного состояния сосны в зеленой зоне важны для разработки мер по восстановлению пригородных лесов.
4. Отдельные разделы работы могут быть использованы при подготовке лекций и проведения практических занятий со студентами естественных факультетов, а также представляют интерес для преподавателей биологии в школе и для экологических экскурсий школьников.
Апробация работы. Основные теоретические положения и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных (Томск, 2002; Москва, 2007; Чита, 2008; Белгород, 2008, 2010), Всероссийских и региональных симпозиумах, конференциях, школах (Чита, 2001, 2005, 2008, 2010, 2011; Пущино, 2002, 2008; Красноярск, 2007; Улан-Удэ, 2007, 2010; Новосибирск, 2009), на заседаниях лаборатории структуры древесных колец ИЛ СО РАН в 2008–2010 гг., ежегодных молодежных сессиях, посвященных дню науки в ИПРЭК СО РАН в 2007–2011 гг. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ, грант 11-04-98013-р_сибирь_а, и междисциплинарного проекта СО РАН № 92 «Прогноз изменения климата Центральной Азии на основе анализа ежегодных записей в озерных осадках, древесных кольцах и ледниках региона».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, из которых 6 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 157 страницах, содержит 41 таблицу, иллюстрирована 36 рисунками. Библиографический список включает 188 наименований, в том числе 15 на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю к.б.н. В.П. Макарову за оказанную помощь в организации исследований, к.г.-м.н. Л.В. Замане за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах работы, к.с.-х. н. В.П. Бобриневу за ценные советы и предложения, заведующему лаборатории структуры древесных колец ИЛ СО РАН к.ф.-м.н. В.А. Шашкину за предоставленную возможность работать на дендрохронологическом оборудовании, а также к.г.н. Д.В. Овчинникову, к.и.н. В.С. Мыглану, к.б.н. А.А. Кнорре, к.б.н. В.В. Кукарских, д.б.н. Д.Е. Румянцеву за методические рекомендации и помощь в работе с программами по обработке данных, к.б.н. Л.В. Афанасьевой и к.б.н. Е.П. Якимовой за консультации и ценные советы, которые были учтены при подготовке диссертации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. Древесная растительность в природно-техногенных условиях
(литературный обзор)
Имеется значительное число работ, освещающих влияние как природных, так и техногенных факторов на древесные растения. В качестве диагностических критериев оценок рекомендуется использовать показатели состояния крон деревьев (Тарчевский, 1964; Санитарные правила…, 1970; Алексеев, 1989, 1990; Касимов, Мартынюк, 1990; Николаевский, 1998; Manual…, 1994; Черненькова, 2002; и др.), характеристики ассимиляционного аппарата (Федоров и др., 1983; Аугустайтис, 1989; Пастернак, Ворон, Стельмахова, 1993; Неверова, 2001; Сухарева, Луканин, 2004; Афанасьева, 2005; Поташева, 2008 и др.), размеры линейного прироста побегов (Кулагин, 1974; Енсен, 1982; Федотов, Карабань, Тихомиров, 1983; Ярмишко, 1997; Черненькова, Макаров, 1997; Неверова, 2001; Куровская, 2002; Романова, Третьякова, 2003; Шергина, Михайлова, 2007; Бухарина, Поварницина, Ведерников, 2007; Ковылина, Зарубина, Ковылин, 2008; и др.), состояние генеративной сферы (Подзоров, 1965; Селянкина, Шкарлет, Мамаев, 1972; Селянкина, Шкарлет, Мамаев, 1972; Willam H. Smith, 1981; Протопопова, 1982; Ставрова, 1990; Ярмишко, 1997; Поташева, 2008 и др.), а также размеры и изменение климатического отклика радиального прироста (Битвинкас, 1974; Ловелиус, 1979; Алексеев, 1990; Симачев, Ваганов, Высоцкая, 1992; Стравинскене, 1987; Ярмишко, 1997; Васильева и др., 2000; Ворон, Стельмахова, Коваль, 2000; Матвеев, 2004; Воронин, 2005; Николеев, 2005; Николаев, Самсонова, 2006; Бастаева, Колтунова, 2006; Демаков, Медведкова, 2009 и др.).
Результаты этих многочисленных исследований свидетельствуют о том, что в различных природно-климатических условиях с учетом особенностей техногенных выбросов (концентрации и состав) отклик древесной растительности различен и может выражаться как отсутствием реакции, так и увеличением либо снижением исследуемых параметров.
Глава 2. Природно-антропогенные условия территории,
объекты и методы исследования
2.1. Эколого-географическая характеристика района исследований
Изложены физико-географические особенности территории исследования, краткие сведения по ее геологическому строению и почвенным условиям. Приведена авторская обработка метеоданных (температура воздуха, атмосферные осадки) за период с 1903 по 2007 гг., основанная на результатах наблюдений метеостанции г. Читы. Поскольку в процессах, протекающих в растительном организме, наибольшую роль играют активные температуры воздуха (выше 10 ºС), отдельно рассчитаны многолетние значения метеопараметров за вегетационный период (май–сентябрь). Средняя температура воздуха мая–сентября за указанный период составила 13.3 ºС (от 7.9 ºС до 16.2 ºС), а сумма осадков за 5 месяцев теплого периода – 298.1 мм, с разбросом значений в отдельные годы от 92.1 мм до 507.0 мм. С 1988 г. наблюдается тенденция к снижению атмосферных осадков периода вегетации при одновременном росте температур воздуха (рис. 1). По результатам спектрального Фурье-анализа годовых атмосферных осадков выделено несколько максимумов спектральной плотности. Наиболее значимый из них, близкий к 11-летней цикличности солнечной активности, отмечен на периоде в 10.8 лет, высокие значения спектральной плотности приходятся также на частоты, соответствующих циклам в 2.5, 5.4, 9.6, 12.3 и 43 года.
Рис. 1. Отклонения от средних многолетних температуры и суммы атмосферных осадков за вегетационный период, сглаженные 10-летним скольжением.
Чита не входит в число городов с развитой промышленностью, основными источниками загрязнения являются объекты топливно-энергетического комплекса и автомобильный транспорт. Тем не менее, погодно-климатические условия и котловинное расположение города приводят к тому, что на его территории формируется уровень загрязнения вдвое, а по некоторым показателям в десятки раз выше, чем в городах европейской части России (Государственный доклад, 2006).
2.2. Объект, программа и методы исследований
Дается краткая эколого-биологическая характеристика объекта исследований – сосны обыкновенной (Pinus sylvestris), которая характеризуется высокой чувствительностью к воздействию атмосферного загрязнения.
По результатам рекогносцировочного обследования лесопарковой части зеленой зоны в сосняках рододендроновой группы (Панарин, 1977) с различным уровнем загрязнения по пылевой составляющей суммарного показателя загрязнения (СПЗ) (Эколого-геохимическая..., 1998) было заложено 12 пробных площадей (ПП), включая 2 контрольные (рис. 2). Контрольные площади располагались в 25–30 км от города в направлениях, не попадающих под преобладающий перенос воздушных масс. Выбор площадей предусматривал сопоставимость их по основным таксационным и типологическим показателям лесных сообществ. Закладка проводилась согласно общепринятым методикам (Сукачев, 1966; Сукачев, Зонн, 1961; Огиевский, Хиров, 1967) c учетом таксационных описаний Городского лесничества и материалов лесоустройства. Краткое геоботаническое описание площадей проводили с использованием общепринятых в геоботанике и лесной таксации методов (Воронов, 1973; Ярошенко, 1961; Шенников, 1964; Полевая геоботаника..,1972 и др.).
Для изучения ширины годичных колец и построения древесно-кольцевых хронологий на четырех пробных площадях – № 5, 9, 11 (фоновая контрольная) и 12 – отобраны буровые керны древесины с живых деревьев на высоте 1.3 м по одному радиусу, преимущественно с северной стороны ствола. На каждой площади для обеспечения достоверности результатов взято по 16–20 кернов.
Рис. 2. Месторасположение пробных площадей.
Отбор кернов выполнялся согласно классическим дендрохронологическим методикам (Шиятов, 1986; Ваганов, Шиятов, Мазепа 1996; Методы дендрохронологии…, 2000). Все последующие этапы обработки собранного материала (подготовка образцов, измерение и построение индивидуальных абсолютных (измеренных) и индексных хронологий) выполняли в лаборатории структуры годичных колец Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (г. Красноярск) с использованием специального оборудования (Lintab 3) со стандартным для дендрохронологии пакетом программного обеспечения TSAP (Holmes, 1983).
При изучении морфологических признаков хвои, побегов и зрелых женских шишек придерживались рекомендаций Л.Ф. Правдина (1964), В.В. Смирнова (1964), В.В. Смирнова и А.А. Молчанова (1967), С.А. Мамаева (1972), А.И. Ирошникова (1977), А.И. Чернодубова (1994), Ю.И. Поташевой (2008) и других исследователей. Исследование морфологии семян выполнено согласно рекомендациям В.Л. Черепнина (1980) и С.А. Мамаева (1972), энергия прорастания и всхожесть семян определены на базе Читинской лесосеменной станции в соответствии с ГОСТом 13056.6-97.
При определении относительного жизненного состояния (ОЖС) древостоев за основу бралась методика В.А. Алексеева с соавторами (Лесные экосистемы…,1990), учитывались рекомендации Санитарных правил РФ (1970), а также основные принципы международной программы по оценке и мониторингу состояния лесов ICP-FOREST (orests.org/).
Обработку полученных результатов проводили стандартными статистическими методами (Плохинский, 1970; Лакин, 1990) в пакетах прикладных программ Excel-2003 и Statistica-6. Достоверность расхождений между выборками определяли с помощью t-критерия Стьюдента. Оценка уровней изменчивости признаков выполнена по шкале С.А. Мамаева (1972). Обработка дендрохронологической информации проведена с использованием специализированных программ из пакета DPL (Holmes, 1998). Качество датировки оценивали с помощью кросскорреляционного анализа в программе COFECHA (Holmes, 1995). Стандартизация измерений выполнена в программе ARSTAN40С (Cook, Krusic, 2006).
2.3. Характеристика пробных площадей
В разделе дается подробное описание ПП, выборочные характеристики приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристика пробных площадей
| № ПП | Экспозиция, уклон | Высота над уровнем моря, м | Состав древостоя | Средний возраст, лет | Сомкнутость крон | СПЗ, ед. | Удаление от городской застройки, км |
| 1 | З, 5–7° | 722 | 10С | 80–100 | 0.3 | 65–128 | 1–2 |
| 2 | З, 5° | 750 | 10С | 110–120 | 0.4 | 257–768 | 1–0.5 |
| 3 | З, 10° | 781 | 10С | 110–120 | 0.3 | 257–768 | 1 |
| 4 | С–З, 10–15° | 755 | 10СБ | 80–100 | 0.3 | 257–768 | 1–0.5 |
| 5 | В, 5° | 766 | 10С | 110–120 | 0.5 | выше 769 | 2 |
| 6 | Ю, 15–20° | 850 | 10СБЛ | 60–80 | 0.6 | 0–64 | 20 |
| 7 | Ю, 25–30° | 810 | 10СЛ | 80–100 | 0.4 | 65–128 | 15 |
| 8 | Ю, 10° | 763 | 10СБЛ | 80–100 | 0.3 | 65–128 | 10 |
| 9 | С–В, 5° | 651 | 9С1Л | 80–100 | 0.4 | 257–768 | 1–2 |
| 10* | З, 5–10° | 712 | 10С | 80–100 | 0.5 | 0–64 | 35 |
| 11* | С–В, 10–15° | 654 | 9С1БЛ | 110–120 | 0.6 | 0–64 | 30 |
| 12 | С–З, 10° | 687 | 10 С | 110–120 | 0.3 | 129–256 | 0.5 |
Примечание. * – контрольные ПП.