CC BY
50
УДК 630*181,2/.39
ХВОСТОВА Алла Викторовна, кандидат сельскохозяйственных наук, старший преподаватель кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 16 научных публикаций
ЛОБАНОВА Ольга Александровна, кандидат географических наук, научный сотрудник Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 52 научных публикаций
ФЕДЯЕВ Александр Леонидович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 28 научных публикаций
ВЛИЯНИЕ МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИХ, ЭДАФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОСТОЯНИЕ СОСНЯКОВ КУСТАРНИЧКОВО-СФАГНОВЫХ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Изучали влияние уровня грунтовых вод и влажности почвы на состояние сосняков в условиях антропогенного воздействия. В результате отвода придорожными каналами избыточного увлажнения в сосняках кустарничково-сфагновых складываются благоприятные условия для развития ассимиляционного аппарата, улучшаются таксационные показатели древостоев. На участках с застойным увлажнением наблюдается дефолиация крон, некрозы и хлорозы хвои, усыхание деревьев. Показана взаимосвязь освещенности, температуры воздуха и почвы, уровня грунтовых вод, влажности почвы.
Водно-физические свойства почв, уровень грунтовых вод, влажность почвы, дефолиация кроны, некрозы и хлорозы хвои, освещенность поверхности почвы, таксационная характеристика древостоев, физиологический стресс, адаптационная устойчивость
Сосняки чутко реагируют на изменение климатических, геологических и антропогенных условий. Сезонный рост сосны обыкновенной определяется ходом климатических факторов в течение вегетации, различиями почвенногрунтовых условий, возрастом деревьев и их положением в пологе леса. Эти факторы оказывают влияние на сроки начала, кульминации и окончания роста, на интенсивность и продолжительность формирования фитомассы [10].
Сосняки сфагновой группы, произрастающие вблизи источников аэротехногенного загрязнения, подвержены значительным физиологическим изменениям. Чем ближе насаждения к источнику атмосферных поллюций, выше водона-сыщенность почвы и хуже жизненное состояние растений, тем значительнее их физиологические изменения под действием токсических соединений [6]. В связи с этим изучение эдафических и микроклиматических факторов в сосняках
сфагновой группы, расположенных в зоне эмиссий от целлюлозно-бумажного производства, тепловой электростанции, представляет определенный научный интерес.
Определяющим экологическим фактором для роста растений является гидротермический режим почвы. Оптимальными условиями для роста побегов сосны можно считать температуру почвы, равную 10-12°С, и воздуха 15-20°С, влажность почвы в 20-сантиметровом слое не менее 10 мм доступной влаги [5]. Значительная часть дисперсии потенциальной продуктивности древостоев объясняется варьированием влажности почвы [9]. Продуктивность растений определяется также интенсивностью ассимиляции СО2. Интенсивность фотосинтеза, как правило, достигает максимума в утренние и полуденные часы, когда отмечаются наибольшие дневные значения освещенности и температуры воздуха [7].
Влияние гидротермического режима на состояние сосняков кустарничково-сфагновых изучали в зоне аэротехногенного загрязнения Архангельского ЦБК и тепловой электростанции на участках с различным гидрологическим режимом вблизи автомагистралей города Архангельска.
Методика. Водный режим почв изучался путем наблюдения за уровнем грунтовых вод (УГВ) по методу Вомперского [3] с учетом требований ИСО 11259. Отбор образцов и водно-физические свойства почвы осуществляли в соответствии с требованиями ИСО 10381-1, ИСО 11464, ИСО 11272, ИСО 11465 [11]. Одновременно с УГВ измеряли освещенность, влажность и температуру воздуха, температуру почвы в соответствии с «Методическим пособием по изучению микроклимата лесных биогеоценозов» [1]. Интенсивность солнечной радиации определяли люксметром Ю116, влажность воздуха - метеометром.
Температурный режим воздуха и почвы, как определяющий фактор физиологической активности растений, зависит от величины солнечной радиации, поступающей к растениям и к поверхности почвы. Физиологическая активность, начало вегетационного периода опреде-
ляются температурой воздуха, окружающего растения, и температурой почвы, где расположены корневые системы растений.
Результаты и обсуждение. В результате проведенных исследований между освещенностью и температурой приземного слоя воздуха и температурой поверхности почвы выявлена высокая [4] корреляционная связь (таблица).
Освещенность открытых участков, не затененных кронами деревьев в сосняках сфагновой группы в связи с их значительной изреженностью и слабой сомкнутостью крон, в ясную погоду достигает 50 000-70 000 1х. Под пологом леса в условиях интенсивного затенения к поверхности почвы проникает на порядок меньше солнечной радиации - от 4 000 до 18 000 1х. В связи с этим на открытых, хорошо освещенных участках местности почва прогревается до величины эффективных температур уже в конце мая. В то время как под кронами деревьев, в условиях сильного затенения, - только во второй половине июня.
Корреляционный анализ гидротермического режима сосняков кустарничково-сфагновых показал высокую связь между температурой приземного слоя воздуха и поверхности почвы, значительную связь между освещенностью у поверхности почвы с температурой и влажностью воздуха, между температурой воздуха и температурой почвы. Адекватная, достоверная связь освещенности с температурой и влажностью приземного слоя воздуха, между температурой приземного слоя воздуха и температурой почвы достаточно хорошо описывается уравнениями параболы первого порядка (рисунки 1, 2, 3).
Неосушенные сосняки кустарничково-сфагно-вые на начало вегетационного периода характеризуются избыточным увлажнением почвы. После ухода весенней верховодки УГВ остается достаточно высоким (менее 25 см). Влажность корнеобитаемого слоя почвы более 70%. Древо-стои развиваются по классу V бонитета. Общее физиологическое состояние сосняков удовлетворительное. До 10% деревьев имеют признаки физиологического стресса: низкий прирост побегов, дефолиацию кроны, хлороз и некроз хвои.
Таблица
Статистический анализ зависимости микроклиматических, эдафических факторов в сосняках кустарничково-сфагновых
Факторы регрессионной зависимости Регрессионная статистика Коэффициенты Дисперсионный анализ
Мно- жес- твен- ный И И ква- драт Нормированный И квадрат Стан- дарт- ная ошибка Паб лю- де- нм Пере- сече- ние (А) Стан- дарт- ная ошибка Критерий 1. ст да Стан- дарт- ная ошибка Критерий 1. ст ¿Ж Кри- те- рий Ж
Рег- рес- сия Ос- та- ток
Температура воздуха и освещенность поверхности почвы 0,508 0,258 0,248 4,288 72 11,243 0,791 14 0,0002 0,0000 5 448 1287 24
Влажность воздуха и освещенность поверхности почвы 0,649 0,421 0,413 0,103 72 0,860 0,019 45 0,00001 0,000001 -7 0,544 0,748 51
Влажность почвы на глубине 12 см и УГВ 0,832 0,692 0,690 7,684 168 91,437 0,778 118 -0,406 0,02105 -19 21999 9801 373
Влажность почвы на глубине 28 см и УГВ 0,704 0,495 0,492 8,043 168 95,040 0,814 117 0,281 0,02204 -13 10531 10739 163
Влажность почвы на глубине 6 см и температура воздуха 0,667 0,445 0,437 3,187 72 0,8762 1,1529 0,76 0,5725 0,0765 7 569 711 56
Влажность почвы на глубине 6 см и температура поверхности почвы 0,532 0,283 0,279 12,106 168 96,588 2,333 41 -1,149 0,1418 -8 22590 9801 383
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Освещенность, Лк
Рис. 1. Зависимость температуры приземного воздуха от освещенности поверхности почвы сосняков кустарничково-сфагновых
Освещенность, Лк
Рис. 2. Зависимость влажности приземного воздуха от освещенности поверхности почвы
і 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0
Температура приземного слоя воздуха, С
Рис. 3. Зависимость температуры почвы на глубине 6 см от температуры приземного слоя воздуха
В зоне действия автодорог в сосняках кус-тарничково-сфагновых выделяются участки с различным гидрологическим режимом. В связи с разной интенсивностью отвода воды придорожными каналами УГВ по сравнению с контролем понижается на различную глубину. В результате улучшение водно-физических свойств почв для древостоев неравнозначно. Можно выделить интенсивно осушенные насаждения, территории умеренно или слабо осушенные, а также участ-
ки, на которых из-за нарушения полотном автодороги естественного стока воды возникает дополнительное избыточное застойное увлажнение. В зависимости от характера увлажнения состояние древостоев имеет характерно-выраженные особенности развития.
При понижении УГВ ниже 30 см в период вегетации в корнеобитаемом слое почвы складывается более благоприятное по сравнению с контрольными (неосушенными) участками увлажнение. Древостой развивается лучше, повышается бонитет, увеличиваются средние таксационные показатели (диаметр, высота, полнота, запас) по сравнению с контролем. Заметно снижается по сравнению с неосушенными древостоями количество усыхающих деревьев. Уменьшается количество деревьев с признаками физиологического стресса - дефолиацией кроны, хлорозом и некрозом хвои. Увеличение таксационных показателей древостоя, общего физиологического состояния тем выше, чем более продолжительный период времени УГВ ниже 30 см от поверхности почвы.
Наиболее благоприятный гидрологический режим складывается на кавальерах водоотводящих каналов. На данных участках уже на начало вегетационного периода УГВ ниже 80 см. В середине вегетационного периода понижается до 140 см от поверхности почвы. В корнеобитаемом слое влажность почвы колеблется от 34 до 60%. Поселившиеся на кавальерах растения успешно развиваются. Текущий прирост терминальных побегов сосны обыкновенной составляет 25-35 см. Признаки физиологического стресса у деревьев (дефолиация, некроз и хлороз хвои) отсутствуют.
При нарушении полотном автодороги естественного стока грунтовых вод возникает дополнительное избыточное увлажнение. При УГВ в течение всего периода вегетации выше 20 см от поверхности почвы влажность почвы в корнеобитаемом слое составляет более 83%. Возникает корневая гипоксия. Развиваются хлорозы и некрозы хвои, крона деревьев изре-живается. Физиологическое состояние деревьев усугубляется из-за повышенной загазованности воздуха. При наличии аэротехногенного
загрязнения на участках с избыточным увлажнением значительное количество деревьев имеет деформацию побегов, уродливое развитие крон. Систематическое (из года в год) избыточно-застойное увлажнение корнеобитаемого слоя может привести практически к полной гибели сосновых древостоев.
Выявлена высокая корреляционная связь (таблица) между УГВ, влажностью и температурой корнеобитаемого слоя почвы в сосняках кустарничково-сфагновых. Регрессионная зависимость между УГВ и влажностью почвы описывается уравнением параболы первого порядка. На рисунке 4 показан характер влияния УГВ на влажность корнеобитаемого слоя почвы.
УГВ, см
Рис. 4. Зависимость влажности почвы на глубине 12 см в сосняках кустарничково-сфагновых от УГВ
Снижение уровня грунтовых вод сопровождается понижением влажности почвы. Влажность корнеобитаемого слоя более 70% можно считать избыточной. При отсутствии проточности обеспеченность кислородом корневых систем может оказаться крайне недостаточной. В результате рост и развитие побегов, формирование ассимиляционного аппарата замедляется.
Прогреваемость почвы способствует снижению влажности корнеобитаемого слоя. На рисунке 5 регрессионной модели увеличение температуры поверхности почвы сопровождается снижением влажности почвы, благодаря более интенсивному испарению воды с поверхности и верхних слоев почвы.
0 10 20 30 40
Температура, С
Рис. 5. Зависимость влажности почвы на глубине 6 см от температуры поверхности почвы в сосняках кустарничково-сфагновых
Повышение температуры воздуха и почвы на влажность корнеобитаемых слоев влияет не только через испарение влаги. С увеличением температуры активизируются физиологические процессы. Увеличивается транспирация растений, потребление влаги растениями растет. Кроме того, снижение влажности почвы, как правило, увеличивается к середине вегетационного периода в связи со сбросом весенней верховодки, увеличением проточности почвенной влаги.
Выводы. По результатам исследований можно сделать следующие выводы: УГВ в сосняках кустарничково-сфагновых имеет важное значение в период начала вегетации и во время формирования ассимиляционного аппарата. Автодороги влияют на гидрологический режим избыточно увлажненных территорий, и состояние растительных сообществ, произрастающих на них. Динамика УГВ сосняков ку-старничково-сфагновых в придорожных полосах имеет характерные особенности. В связи с отводом от полотна дороги воды придорожные каналы могут исполнять роль осушителей. В этом случае в приканальных полосах формируются благоприятные для растений водно-физические условия. Полотно автодороги может нарушить естественный сток грунтовых вод, и в придорожной полосе возникает избыточное застойное увлажнение, крайне неблагоприятное для роста и развития растений. Сосняки сфагновой группы особо чувствительны к измене-
ниям внешних лесорастительных условий. Микроклиматические, эдафические факторы являются важными лесорастительными условиями, определяющими физиологическую активность и жизнедеятельность растений, оказывают существенное влияние на состояние древостоев. При наличии аэротехногенного загрязнения и неблагоприятного гидрологического режима сосновые насаждения могут испытывать сильней-
ший физиологический стресс, а при значительных дозах совокупного воздействия может наступить гибель древостоев. При улучшении микроклиматических и эдафических факторов насаждения способны преодолевать повышенную загазованность, физиологический стресс, а при благоприятном гидрологическом режиме рост и развитие древостоев улучшается.
Список литературы
1. АникиеваВ.А., Елизаров Ф.П., КубракН.И., Чертовской В.Г. Методическое пособие по изучению микроклимата лесных биогеоценозов. Архангельск, 1983.
2. ВадюнинаА.Ф., КорчагинаЗ.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.
3. Вомпеpский С.Э. Биологические основы эффективности лесоосушения. М., 1968.
4. ГусевИ.И. Моделирование экосистем: учебное пособие. Архангельск, 2002.
5. Елагин Н.Н. Сезонное развитие сосновых лесов. Новосибирск, 1976.
6. Тарханов С.Н., Прожерина Н.А., Коновалов В.Н. Лесные экосистемы бассейна Северной Двины в условиях атмосферного загрязнения: диагностика состояния. Екатеринбург, 2004.
7. Тужилкина В.В. Суточные и сезонные изменения фотосинтеза сосны и ели // Биогеоценологические исследования хвойных фитоценозов на Севере: труды Коми филиала АН СССР. № 59. Сыктывкар, 1983. С. 33-40.
8. Патов В.В. Сезонная динамика радиального прироста стволов сосны, ели и березы в подзоне средней тайги // Биогеоценологические исследования хвойных фитоценозов на Севере: труды Коми филиала АН СССР. №9 59. Сыктывкар, 1983. С. 9-12.
9. Пахучий В.В. Динамика влажности почвы на староосушенном торфянике // Биогеоценологические исследования хвойных фитоценозов на Севере: труды Коми филиала АН СССР. № 59. Сыктывкар, 1983. С. 13-19.
10. Кищенко И. Т. Рост и развитие аборигенных и интродуцированных видов семейства Ршасеае Lindl в условиях Карелии. Петрозаводск, 2000.
11. ФоминГ.С., ФоминА.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам: справочник. М., 2000.
Khvostova Alla, Fedyaev Alexandr, Lobanova Olga
INFLUENCE OF MICROCLIMATIC, EDAPHIC FACTORS ON THE STATE OF PINETUM SFAGNOSUM ASSOCIATIONS UNDER THE CONDITIONS
OF ANTHROPOGENIC IMPACT
The groundwater level and soil moisture influence on the state of pine forests under the conditions of anthropogenic impact is studied. Drying by means of roadside canals leads to favorable conditions for assimilation and improving taxation indices of stands. Crown defoliation, needle necrosis and chlorosis and dieback of trees are observed in the areas with continuous soil moisture. The interrelation of light exposure, air and soil temperatures, and groundwater level is shown.
Рецензент - Феклистов П.А., доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и защиты леса Архангельского государственного технического университета
