CC BY
86
УДК 630*11
ДЕНДРОИНДИКАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Е.В. Авдеева1, Е.А.Вагнер2, К.В.Черникова1
1 «Сибирский государственный технологический университет», Красноярск, пр. Мира, 82 Россия 2 «Сибирский федеральный университет», Красноярск, пр.Свободный, 79, Красноярск, Россия
В работе представлены результаты исследований биометрических параметров лиственницы сибирской анализ которых позволяет оценить экологическое состояние и уровень деградации городской среды, а также пределы устойчивости растений к техногенному загрязнению. Установлено, что лиственница сибирская является наиболее эффективным видом-индикаторомдля экологического состояния городской среды крупных промышленных центров Сибири. С увеличением техногенных нагрузок изменяется форма кроны растений. Крона приподнимается, укорачивается, уменьшается ее диаметр. В насаждениях со свободным типом посадки и низким уровнем загрязнения деревья развиваются в условиях достаточной площади для питания и освещения. Их максимальный диаметр кроны имеет наибольшее приближение к радиально симметричной форме, что придает ей более декоративный вид. В групповых посадках после смыкания крон деревьев деформация более выражена. Уровень трансформации пространственных пропорций растений отражает степень патологического (отклонения от нормы) состояния деревьев. Отклонение от «золотых пропорций» характеризует снижение эстетического восприятия; ухудшение внешнего вида окружающего пространства. Поэтому отклонения от золотых пропорций должны служить критериями при оценке соответствия видов растений условиям среды и при подборе ассортимента растений. Оценка эстетического и экологического состояния древесных растений на основе аналитических методов повышает достоверность результатов. При этом степень соответствия основных параметров инвариантам устойчивости может служить характеристикой их индивидуального роста и уровня загрязнения городской среды.
Ключевые слова дендроиндикация, урбанизированные территории, оценка качества, древесные растения, форма
кроны
The paper presents the results of research biometrics Siberian larch analysis allows to evaluate the ecological state of the urban environment and the level of degradation as well as the limits of plant resistance to anthropogenic pollution. It was found that the Siberian larch is the most effective kind of indikatoromdlya-urban environment of major industrial centers in Siberia ecological state. With the increase of anthropogenic loads of plants varies form the crown. Crohn's lifted, shortened, its diameter decreases. In stands with a free type of landing and low-pollution trees develop with sufficient space for power and lighting. Their maximum diameter of the crown is the closest approximation to a radially symmetrical shape, which gives it a more decorative look. In group plantings after clamping crown deformation is more pronounced. The level of spatial transformation of plant proportions reflects the extent of the pathological (abnormal) state of the trees. Deviation from the "golden mean" characterizes the decline of aesthetic perception; the deterioration of the appearance of the surrounding area. Therefore, the deviation from the golden section should serve as criteria when assessing compliance with plant species and environmental conditions in the selection range plants. Evaluation of aesthetic and ecological state of woody plants based on analytical methods increases the reliability of the results. The degree of compliance with the basic parameters of the invariants of sustainability can serve as a description of their individual growth and the level of urban pollution.
Keywords: dendroindication, urban areas, quality assessment, woody plants, the shape of the crown
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
В настоящее время проблемы озеленения городов вследствие сложной экологической обстановки становятся объектом все более пристального внимания со стороны специалистов. Именно озелененные пространства, выполняя важные экологические функции, могут в значительной степени повысить комфортность городской среды, и в то же время, их состояние отражает уровень загрязнения окружающей среды. Результаты исследований состояния насаждений в урбанизированной среде на примере города Красноярска (Авдеева, 2007), подверженных постоянным (хроническим) техногенным воздействиям различного уровня, дают возможность выбора наиболее информативных биоиндикаторов,
критериев оценки территории по степени техногенных воздействий и разработки рекомендаций по улучшению состояния системы озеленения в целом и ее отдельных компонентов. Данные исследования направлены на сохранение и повышение устойчивости и продуктивности древесной растительности и биоразнообразия в городских насаждениях, на решение проблем управления экологическим состоянием урбанизированных территорий.
Анализ ответных реакций исследуемых видов древесных растений на воздействия техногенных нагрузок, размещенных на различных территориях города, показал, что для урбосреды Красноярска дендроиндикатором-монитором (с интенсивным проявлениями неспецифических реакций) может выступать лиственница сибирская (Авдеева, 2007).
Для оценки уровня экологической деградации природной среды города, степени его влияния на состояние и продуктивность насаждений, определения фаз адаптации видов древесных растений в конкретных временных и пространственных условиях используются морфо- и био метрические методы дендроиндикации.
Онтогенез лиственницы сибирской в условиях урбосреды можно проследить с виргинильно-го состояния растений семенного происхождения, поступающих на объекты озеленения города из питомников. Посадочным материалом служат деревья-саженцы в возрасте 7 - 9 лет. Саженцы представляют собой узкокронные деревца с незначительно разветвленной кроной. Общая высота дерева - от 1,7 до 2,6 м, диаметр ствола на высоте 1,3 м - от 2 до 5 см, диаметр кроны составляет 0,6 - 2 м. Дальнейшее развитие лиственницы сибирской зависит от сложившихся градорастительных условий территории произрастания растений. Анализ результатов исследований внешних признаков возрастных изменений лиственницы сибирской, проведенных в лесах Красноярского края, показал, что наиболее информативными являются габитус кроны дерева и состояние коры. Для деревьев, растущих в естественных условиях, в ряде работ приведены описания основных внешних признаков возраста, таких, как цвет, густота, форма кроны, размер и расположение сучьев, состояние коры (цвет, наличие трещин, их глубина), даны характеристики изменения параметров ствола, очищенность его от сучьев. Всего было учтено более 3000 деревьев. Внешние признаки возраста деревьев лиственницы сибирской изучены до 380-летнего возраста. Действительный (календарный) возраст определялся после рубки деревьев. В ходе анализа и систематизации данных установлено, что при градации возрастных периодов в 40 лет однородность признаков проявляется нагляднее.
Классификацию деревьев на основе особенностей строения крон одним из первых разработал Корнер (Серебряков, 1962). В основе его классификации заложена соподчиненность роста осей дерева. Для характеристики деревьев по форме крон в 1968 году Дональд вводит понятие «идеотип». Иде-отип кроны закономерно изменяется на протяжении жизни растения (Сербряков, 1962; Заугольнова, 2000; Диагнозы..., 1989), а также трансформируется в зависимости от плотности древостоя, яруса, занимаемого деревом в пологе (Hasimoto 1990). Рядом авторов установлено, что основной закономерностью развития кроны в течение жизни дерева является закон циклической смены скелетных и обрастающих частей кроны. Так, в начале развития кроны в ней образуются длинные скелетные ветви, обладающие большой долговечностью и несущие на себе менее долговечные веточки более высоких порядков (обрастающие ветви). По мере роста дерева, вследствие отмирания обрастающих веточек внутри кроны и нарастания новых, листоносные по-
беги перемещаются из центра к периферии кроны, что затрудняет передвижение питательных веществ, поэтому у средневозрастного дерева отмирание обрастающих веточек усиливается, а новообразование уменьшается. В дальнейшем происходит пробуждение спящих почек, расположенных на стволе и у основания скелетных ветвей. У старого дерева образуются новые скелетные ветви, а старые исключаются из системы обмена веществ и отмирают. Таким образом, происходит естественное обновление и омоложение кроны. В течение жизни дерева возможно несколько таких циклов. В соответствии с этим рядом авторов (Сербряков, 1962; Диагнозы., 1989; Заугольнова, 2000; Цельникер, Корзухин, Зей-де, 2000) выделяется несколько основных этапов развития кроны:
Период усиленного роста вегетативных частей. Его подразделяют на два подпериода: в первом периоде плодоношение полностью отсутствует, во втором - оно начинается. В этот период сначала нарастает только ствол, потом дерево начинает ветвиться, но ствол растет гораздо быстрее, чем боковые ветви, молодое дерево имеет широкую крону, затем становится узкокронным. Объем кроны быстро возрастает, достигая предельной для данного вида величины.
Период полного плодоношения, который также делится на две части: в начале периода прекращается поступательный рост в пунктах плодоношения, в конце его начинается отмирание мелких скелетных частей. В данный период скорость роста ствола замедляется, объем кроны остается практически постоянным.
Последний период характеризуется массовым отмиранием скелетных сучьев. Моноподиальное нарастание ствола сменяется симподиальным, вершина становится плоской, дерево начинает суховер-шинить, объем кроны уменьшается.
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Рассмотрение структуры кроны и состояния развития дерева связано с анализом количественных параметров, соотношений размеров элементов кроны, значения которых зависят от условий окружающей среды. В исследованиях ряда авторов установлено, что деревья высоких широт имеют моноподиальный ствол с ритмичным ростом, который регулярно образует ярусы плагиотропных ветвей (Цельникер, Корзухин, Зейде, 2000). Динамика вертикальной структуры габитуса деревьев, произрастающих в условиях города Красноярска, полученная в абсолютных и относительных величинах, представлена на рисунке 5.2 (а, б, в, г). Анализ данных показывает, что изменения морфологических параметров кроны носят адаптивный характер, связаны с уменьшением прироста дерева по диаметру ствола, что обуславливает сокращение прироста ветвей и, соответственно, снижение размеров кроны (рис. 5.3).
Связь протяженности кроны и высоты крепления наибольшего диаметра кроны определяет степень развития кроны._ Отношение протяженности кроны к общей высоте дерева может использоваться для сравнения роста и развития деревьев, растущих в различных градорастительных условиях. При этом следует отметить, что чем ближе данный показатель к 1, тем
выше заполненность ствола кроной; чем ближе к Ф (значению 1,618... - условие золотой пропорции), тем выше декоративные свойства экземпляра. Взаимосвязь степени развития кроны, возраста, типа посадок для деревьев, произрастающих в различных градора-стительных условиях Красноярска, представлена на рисунке 5.2.
в зависимости от урбо -техн. нагрузок
16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0
} 1
о J ° 1 .Û со
Й- i
1 i i в
|Г J f il
У I Ш
я п JL г I Щ
||||| в г it г
10 20 30 40 50
10 20 30 40 50
10 20 30 40 50
10 20 30 40 50
Возраст, лет
] Длина ствола без кроны □ Длина затененной части кроны □ Длина освещенной части кроны
I II III IV
I, II, III, IV - типы градорастительных условий
а) абсолютные значения параметров кроны в зависимости от уровня техногенных нагрузок
III
IV
I II
I, II, III, IV - типы градорастительных условий
б) относительные величины параметров кроны в зависимости от уровня техногенных нагрузок
в зависимости от нагрузок и типа произрастания
16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0
10 20 30 40 50
10 20 30 40 50
10 20 30 40 50
Возраст, лет
10 20 30 40 50
I Длина ствола без кроны О Длина затененной части кроны □ Длина освещенной части крон
I I III III
свободный групповой свободный групповой
I, III - типы градорастительных условий
в) абсолютные значения параметров кроны в зависимости от уровня техногенных нагрузок и типа пространственной структуры насаждения
100
80
60
40
20
10 20 30 40 50
10 20 30 40 50
■ Длина ствола без кроны О Длина освещенной части кроны
10 20 30 40 50 10 20 30 40 50
Возраст, лет ■ Длина затененной части кроны
III
III
групповой
I I
Свободный групповой свободный
I, III - тип градорастительных условий
г) относительные величины параметров кроны в зависимости от уровня техногенных нагрузок и типа пространственной структуры насаждения
Рисунок 5.2 - Соотношения составных частей структуры кроны лиственницы сибирской, произрастающей в различных градорастительных условиях (в динамике)
0
«
К «
ей Л
О
и и
35
Л К л ч
и
¡1?
н
о
0
1
I
ф
.0
0 га
1
о н
_о I
ш с ш н
о
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
оооою
оооою
оооою
оооою
I
IV
I, II, III, IV - типы градорастительных условий Рисунок 5.3 - Фракционный состав крон лиственницы сибирской
Граница раздела между освещенной и затененной частями кроны характеризуется высотой крепления максимального диаметра кроны, зависимость которой от возраста и экологических условий урбосреды Красноярска представлена на рисунке 5.2. Анализ данных показал, что изменчивость протяженности кроны зависит от структуры насаждения, возраста и условий произрастания. Высота крепления наибольшего диаметра кроны закономерно уменьшается по мере увеличения техногенных нагрузок. При этом общая протяженность кроны изменяется незначительно, следовательно, возрастает протяженность освещенной поверхности кроны, которая непосредственно влияет на прирост и качество древесины ствола. При этом ее увеличение недостаточно для поддержания стабильного роста деревьев, что подтверждается снижением биометрических параметров.
Активность функционирования и качество выполнения экологических функций древесными растениями определяются структурой и размерами крон, продуктивностью насаждений. Установлено, что распределение биомассы листьев и ветвей в кронах деревьев даже одного вида, произрастающих в одинаковых лесораститель-ных условиях, изменяется в значительном диапазоне (Ли, 1999; Усольцев, 1985, 1988). Для ветвей верхней части крон фотосинтетическая эффективность относительно высока, поскольку листва (хвоя) получает полную солнечную радиацию. Для нижней части кроны фотосинтетический эффект ниже, так как они затенены верхней частью кроны или соседними деревьями. Часть кроны, которая находится выше уровня смыкания полога и непосредственно влияет на рост ствола и активность выполнения экологических функций насаждениями, является эффективной кроной. Для свободно растущих деревьев протяженность эффективной кроны составляет часть от вершины до ее максимального диаметра. Для растений в группе она уменьшается, ее конфигурация изменяется в зависимости от плотности насаждения, при этом снижа-
ются объем ствола и размеры дерева в целом. Установлено, что чем менее благоприятные условия местообитания и климат, тем большая масса листьев (хвои) требуется, чтобы произвести равную массу древесины, тем больше должны быть размеры эффективной кроны. Коэффициент формы кроны, или «сплюснутость», определяемый как отношение максимального диаметра кроны к протяженности освещенной поверхности, характеризует продуктивность работы ассимиляционного аппарата. Его значения представлены в таблице 5.3. Анализ результатов исследования показал, что с увеличением техногенных нагрузок «сплюснутость» кроны увеличивается, т.е. крона приподнимается, укорачивается, уменьшается ее диаметр. Состояние эффективной кроны характеризуется протяженностью освещенной части кроны, высотой крепления максимального диаметра кроны, коэффициентом формы кроны, которые изменяются в зависимости от плотности и уровня техногенных нагрузок, влияющих на рост древесной растительности. Таким образом, повышение активности выполнения полезных функций городскими озелененными территориями возможно за счет улучшения условий их произрастания, которые зависят от принятия планировочных решений и подбора ассортимента пород в процессе проектирования насаждений, адекватных условиями городской среды.
Таблица 5.3 - Коэффициент формы кроны для лиственницы сибирской, произрастающей в условиях урбосреды Красноярска
Тип градора- Тип пространственной Средние
стительных структуры значения
условий Свободный Групповой
I 0,74±0,02 0,58±0,03 0,66±0,02
II 0,8±0,03 — 0,8±0,03
III 0,94±0,01 0,88±0,04 0,91±0,03
IV 0,96±0,01 — 0,96±0,01
Среднее 0,86±0,03 0,73±0,03 —
В структуре дерева лиственницы сибирской выделяются следующие виды симметрии: радиально-лучевая - симметрия диаметра кроны; билатеральная - вертикального профиля дерева (ортогональные проекции дерева в плоскости, параллельной ряду, аллее, группе - фронтальный вид и боковой вид объекта) и винтовая - расположения ветвей и хвои.
В приложении (табл. Г.2) и на рисунке 5.4 представлена динамика коэффициентов асимметрии, характеризующих изменение формы максимального диаметра кроны лиственницы сибирской, т.е. трансформацию радиальной симметрии, в зависимости от условий произрастания, выровненных степенной функцией.
Анализ изменения радиальной симметрии лиственницы в динамике в зависимости от условий произрастания показал, что:
- в насаждениях со свободным типом посадки и низким уровнем загрязнения деревья развиваются в условиях с достаточной площадью для питания и
освещения. Их максимальный диаметр кроны имеет наибольшее приближение к радиально симметричной форме, что придает ей более декоративный вид. Коэффициент асимметрии практически не изменяется во времени и составляет менее 3%;
- в групповых посадках после смыкания крон деревьев выделяются две зоны их пространственного влияния на формирование симметричности кроны (Разумовский, 1986: зона «краевого эффекта» и «центр группы». При этом, чем плотнее группа, тем дифференциация более выражена. Коэффициенты асимметрии составляют до 20%. Для деревьев в зоне краевого эффекта характерна резко асимметричная горизонтальная проекция формы кроны: со стороны открытого пространства - радиус максимальный, со стороны группы - минимальный. Увеличение горизонтальной площади проекции группы зависит от увеличения проекции крон деревьев, расположенных на периферии;
1,00
15
20
25
30
35
40
45
пространственная структура насаждении: I, —— II, III, —
свободная,
групповая
IV - типы градорастительных условий
Рисунок 5.4 - Изменение коэффициентов асимметрии максимального диаметра кроны лиственницы
- в рядовых посадках - в период непосредственного взаимовлияния крон наблюдается уменьшение диаметра кроны параллельно ряду и, как следствие, увеличение ее асимметрии, при смыкании крон в ряду горизонтальная проекция кроны приближается к эллипсу;
- форма и размеры кроны дерева являются важными критериями оценки состояния как отдельного дерева, так и насаждения в целом. Поэтому обоснование экологического и декоративного назначения насаждений и подбор ассортимента пород при их проектировании, а также при выборе технологий по уходу за ними должны проводиться с учетом резуль-
татов исследований состояния кроны в сложившихся городских насаждениях с различными пространственными условиями и техногенными нагрузками.
ВЫВОДЫ
1. По динамике ответных реакций биометрических параметров лиственницы сибирской можно оценить экологическое состояние и уровень деградации городской среды, а также пределы устойчивости растений к техногенному загрязнению. Таким образом, лиственница сибирская является достаточно чувствительным и наиболее эффективным видом (среди изученных) для использования в целях фитоиндикации
урбосреды морфо-биометрическими методами, являющимися перспективными для оценки экологического состояния городов. Полученные результаты, с учетом конкретных условий, могут использоваться для индикации экологического состояния городской среды крупных промышленных центров Сибири.
2.С увеличением техногенных нагрузок и ухудшением общего состояния древесной растительности «сплюснутость» кроны увеличивается, т.е. крона приподнимается, укорачивается, уменьшается ее диаметр. Изменения морфологических параметров кроны носят адаптивный характер, связаны с уменьшением прироста дерева по диаметру ствола, что обуславливает сокращение прироста ветвей и, соответственно, снижение размеров кроны.
3. В насаждениях со свободным типом посадки и низким уровнем загрязнения деревья развиваются в условиях достаточной площади для питания и освещения. Их максимальный диаметр кроны имеет наибольшее приближение к радиально симметричной форме, что придает ей более декоративный вид. В групповых посадках после смыкания крон деревьев выделяются две зоны их пространственного влияния на формирование симметричности кроны: зона «краевого эффекта» и «центр группы». При этом, чем плотнее группа, тем деформация более выражена.
4. Уровень трансформации пространственных пропорций растений отражает степень патологического (отклонения от нормы) состояния деревьев. Отклонение от «золотых пропорций» характеризует снижение эстетического восприятия; ухудшение внешнего вида окружающего пространства. Поэтому отклонения от золотых пропорций должны служить критериями при оценке соответствия видов растений условиям среды и при подборе ассортимента растений.
5. Оценка эстетического и экологического состояния древесных растений на основе аналитических методов повышает достоверность результатов. При
этом степень соответствия основных параметров инвариантам устойчивости может служить характеристикой их индивидуального роста и уровня загрязнения городской среды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Авдеева, Е.В. Рост и индикаторная роль древесных растений в урбанизированной среде / Е.В. Авдеева. - Красноярск: СибГТУ, 2007. - 361 с. Серебряков, И.Г. Экологическая морфология растений. Жизненные формы покрытосеменных и хвойных / И.Г. Серебряков. - М. : Высшая школа, 1962. - 378 с. Заугольнова, Л.Б. Современные представления о структуре и динамике растительного покрова как основе для разработки методов сохранения биоразнообразия / Л.Б. Заугольнова, О.В. Смирнова // Оценка и сохранение биоразнообразия лесного покрова в заповедниках Европейской России. - М.: Научный мир. 2000. - С. 9-14. Диагнозы и ключи возрастных состояний лесных растений. Деревья и кустарники [Текст] / под общ. ред. О.В. Смирновой. - М. : Изд-во «Прометей», 1989. - 102 с. Hasimoto R. Analysis the morphology and structure of crowns in a young sugi (Cryptomeria japonica) stand //Tree Phys. 1990. V. 6. N2. P. 119-134. Цельникер, Ю.Л. Морфологические и физиологические исследования кроны деревьев (литературный обзор) / Ю.Л. Цельникер, М.Д. Корзухин, Б.Б. Зейде. - М. : Изд-во Урания, 1997. - 93 с. Ли, Фенжи, Эффективная структура крон и рост стволов лиственницы ольгинской в северо-восточном Китае / Фенжи Ли, Цзянь Инь // Лесоведение. - 1998. - №2. -С. 69- 79.
Усольцев, В.А. Моделирование структуры и динамики фи-томассы древостоев [Текст] / В.А. Усольцев. - Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1985. - 192 с. Усольцев, В.А. Рост и структура фитомассы древостоев [Текст] / В.А. Усольцев. - Новосибирск: Наука, 1988. -254 с.
Разумовский, Ю.В. Влияние экологических факторов на рост и развитие Tilia Cord. в парковых насаждениях [Текст] :автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / Ю.В.Разумовский. - М., 1992. - 239 с.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Красноярского краевого фонда поддержки науки и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 15-48-04305 «р_сибирь_а»
По ступила в редакцию 21.07.16 Принята к печати 29.12.16
