Комплексная оценка индикаторных признаков хвойных пород как метод изучения воздействия факельного сжигания попутного газа на лесные насаждения Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА 2008 г. Выпуск 3 (10). С. 25-31

УДК 504.06; 633.877; 553.98

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ИНДИКАТОРНЫХ ПРИЗНАКОВ ХВОЙНЫХ ПОРОД КАК МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ПОПУТНОГО ГАЗА НА ЛЕСНЫЕ НАСАЖДЕНИЯ

А.С. Горлов, А.М. Касаткин, Н.В Кокорина, Ю.М. Полищук

Введение

Техногенная нагрузка на окружающую природную среду Ханты-Мансийского автономного округа - Югры носит неравномерный характер территориального распределения. Как правило, наиболее мощному воздействию подвергается окружающая среда населенных пунктов и промышленных зон. Промышленность округа в основном представлена объектами нефтедобывающей отрасли, которая и является одним из основных загрязнителей природной среды. Добыча нефти в ХМАО-Югре за период с 1998 по 2003 г. выросла на 37 %, а выбросы в атмосферу от стационарных источников возросли в 2,13 раза [3]. Столь существенное превышение темпов роста загрязнения над темпами роста производства обусловило рост удельного загрязнения. Как правило, увеличение объемов добычи углеводородного сырья осуществляется за счет ввода в эксплуатацию новых месторождений, что неизбежно приводит к росту объемов добычи и сжигания попутного нефтяного газа.

В связи загрязнением воздушного бассейна промышленными выбросами лесные биогеоценозы не успевают нейтрализовать различные токсичные вещества и постепенно деградируют. Данное обстоятельство особенно актуально в Западной Сибири, т.к. преобладающие лесные породы представлены хвойными, которые особенно чувствительны к воздействию загрязнений, в частности атмосферного. Согласно [4,5] по степени чувствительности к воздействию фитотоксичных газов хвойные древесные породы находятся на четвертом месте после мхов, лишайников и грибов.

Известно [7], что наиболее эффективным способом комплексной оценки степени аэротех-ногенного воздействия на лесные экосистемы является биоиндикация. Анализ изменчивости биоиндикационных признаков даёт наиболее полное представление о влиянии аэротехноген-ных факторов на состояние природной среды. Однако вопросы биоиндикации с использованием деревьев хвойных пород в настоящее время разработаны недостаточно. В связи с этим целью работы является оценка воздействия сжигаемого попутного нефтяного газа на природную среду посредством использования индикаторных признаков основных лесообразующих пород ~ сосны сибирской (Pinus sibirica Du Tour) и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.).

Методика исследований

Исследования проводились в период с 2004 по 2008 гг. на территории Приобского месторождения нефти. Условия роста деревьев и их состояние изучалось на ключевых участках разной степени удаленности от источника выбросов загрязняющих веществ в сходных эко-лого-фитоценотических условиях. Ключевые участки выбирались в соответствии с преобладающими ветрами в течение года - в восточном и южном направлениях. Исследования проводились в последней декаде августа и в начале сентября, когда хвоя текущего года полностью сформирована, а опад еще не начался.

В ходе работы ставилась задача оценки состояния древостоев на территории Приобского месторождения нефти и динамики изменений индикаторных признаков темнохвойных пород по градиенту загрязнения. Была принята рабочая гипотеза, согласно которой по мере удаления от источника выбросов снижается и уровень аэротехногенного воздействия. Подтверждение данной гипотезы позволит произвести зонирование подфакельной территории мето-

дом комбинации кластерного анализа биометрических данных и пространственного анализа средствами геоинформационных систем.

Для оценки степени нарушения древостоев проводился визуальный осмотр деревьев маршрутным методом. В ходе работы проведены обследования территории каждого ключевого участка, оценивалось по 50 деревьев ели сибирской и сосны сибирской для анализа состояния древостоя, который производился по совокупности признаков (состоянию ствола, ветвей и корней, ажурности крон, приросту по высоте). Маршрутное обследование территории показало, что состояние древостоев в целом неудовлетворительное, радиус повреждения хвойных пород при сжигании попутного газа составляет 17 и более километров. Индекс состояния древостоя по А.С. Алексееву [1] на исследуемой территории изменяется от ослабленного до сильно ослабленного.

Для оценки морфометрических показателей производился отбор проб с 20 деревьев одного возраста (60-80 лет) ветвей 2-го порядка ветвления из средних частей крон сосны сибирской и ели сибирской на каждом ключевом участке. Нами производилась оценка массы 100 шт. первого и второго года жизни хвои обеих пород, степени охвоения побегов текущего и прошлого года, которая устанавливается как масса хвои на единицу длины (5 см) побега, измеряемая в г/см.

Результаты и их обсуждение

Масса хвои отражает процесс накопления органических веществ, ее уменьшение в зонах поражения свидетельствует о снижении активности фотосинтеза. По мнению [6], наиболее сильно поллютанты влияют на морфометрические показатели хвои старших возрастов. В результате проведенных нами исследований мы обнаружили, что наиболее чувствительна к атмосферному загрязнению хвоя первого года жизни. Некоторые исследователи также выдвигают положение о наибольшем поражении поллютантами хвои в начале ее развития, когда кутикула и восковое покрытие минимальны [7].

Результаты обработки данных взвешивания проб хвои сосны сибирской, отобранных с ключевых участков в восточном и южном направлениях, представлены на рис. 1. и 2.

4,300 -

4.100 -

3.900 -

3.700 -1“- 3,500 -

ГО

§ 3,300 -2

3.100 -

2.900 -

2.700 -

2,500 -

В-1 В-2 В-3 В-4 В-5 В-6 В-7 В-11 В-12

ключевые участки

—*— Сосна второй год —■— Сосна первый год

----Линейный (Сосна второй год) Линейный (Сосна первый год)

Рис. 1. Масса хвои сосны сибирской в восточном направлении (В1 - 0.4 км; В2 - 0,7 км; ВЗ - 1 км; В4

- 1,3 км; В5 - 1,7 км; В6 - 2 км; В7 - 2,5 км; В11 - 8,5 км; В12 - 16,4 км)

По мере удаления от источника выбросов как в восточном, так и южном направлениях наблюдается положительный тренд увеличения массы хвои, что связано с ослаблением нагрузки на древостой и увеличением фотосинтезирующей активности. Масса хвои прошлого года сосны сибирской менее чувствительна к атмосферному загрязнению, и по мере удаления от факела изменения данного показателя не столь выражены, они носят плавный характер.

Рис. 2. Масса хвои сосны сибирской в южном направлении (Ю1 - 0,4 км; Ю2 - 0,7 км; ЮЗ - 1,4 км; Ю4 - 2,3 км; Ю5 - 3,7 км)

Масса хвои другого лесообразователя - ели сибирской повторяет тенденцию изменения соответствующего показателя сосны сибирской и по мере удаления от источника выбросов увеличивается (рис. 3).

Рис. 3. Масса хвои ели сибирской

Показатели массы хвои ели варьируют в большей степени, нежели аналогичные показатели сосны сибирской: коэффициент вариации массы хвои второго года жизни ели сибирской составляет 21,10, в то время как для массы хвои сосны сибирской этот показатель в 2,6 раза ниже (Су=8,06).

Охвоенность является одним из важнейших анализируемых нами показателей, который неразрывно связан с массой хвои. По показателю охвоенности результаты имеют сходный с массой хвои тренд увеличения по мере удаления от источника выбросов (рис. 4).

0,6 -I------'-------1-------1-------1-------1--------1-------1-------1-------1

В-1 В-2 В-3 В-4 В-5 В-6 В-7 В-11 В-12

ключевые участки

—♦—Сосна второй год —■— Сосна первый год

-----Линейный (Сосна второй год)----Линейный (Сосна первый год)

Рис. 4. Охвоенность побегов сосны сибирской в восточном направлении

На участках, непосредственно прилегающих к факелу, уровень воздействия максимален, кроны деревьев наиболее повреждены, побеги в большей степени разрежены и наблюдается наименьшая их охвоенность. В южном направлении наиболее четкий тренд увеличения ох-военности сосны сибирской представлен побегами текущего года (рис. 5).

Анализ полученных данных показывает, что наиболее четко уменьшение степени загрязнения по мере удаления от факела в восточном направлении описывается побегами первого года сосны сибирской: охвоенность побегов имеет стабильный рост по мере удаления от источника загрязнения - от 0,760 г/см на расстоянии 0,4 км до 0,947 г/см (8,5 км).

Показатели охвоенности ели сибирской варьируют в значительной степени в связи большей чувствительностью этой породы к воздействию различных факторов среды в сравнении с сосной сибирской: коэффициент вариации охвоенности побегов ели сибирской составляет 34-38 %, сосны сибирской - 25-27 % (рис. 6).

0,08 -і

0,075 -

2 о 0,07 -

І* 0,065 -

о о 0,06 -

X

0) 0,055 -

т

X о 0,05 -

0,045 -

0,04 -

*0,073

-^рьіг_ :__у.

0,051

0,074

0,066

0,048

В-1 В-2 В-3 В-4 В-5 В-6

_________ ключевые участки

В-7

В-11 В-12

—♦— Ель второй год ------Линейный (Ель второй год)

-■— Ель первый год -----Линейный (Ель первый год)

Рис. 6. Охвоенность ели сибирской

В целом морфометрические показатели побегов второго года сосны сибирской превышают соответствующие показатели побегов первого года, тогда как для ели наблюдается обратная тенденция. Это обусловлено биологическими особенностями роста и развития данных пород. Морфометрические показатели ели сибирской более вариабельны и их изменения носят «скачкообразный» характер. Это обусловлено высокими значениями коэффициентов вариации, характеризующих внутрипопуляционную изменчивость признака.

Для реализации поставленных задач нами был выполнен комплексный анализ многомерных данных на основе сочетания кластерного и пространственного анализа с использованием пакета программного обеспечения АгсУюлу 3.2. Итогом комбинированного применения указанных методов является карта-схема, на которой классы объектов исследования, полученные в результате проведенной классификации, отображаются в виде однородных зон или участков.

Методами кластерного анализа нами был обработан массив данных, включающий 9 индикационных показателей: охвоенность побегов прошлого года ели, охвоенность побегов текущего и прошлого года сосны, масса хвои прошлого года ели, масса хвои прошлого года сосны, балльная оценка состояния древостоя, балльная оценка состояния лесообразователей

- сосны и ели, продолжительность жизни хвои ели. Результаты зонирования территории, примыкающей к стационарному источнику загрязнения, представлены на рис. 7. Ключевые участки распределены на две зоны - зону выраженного уровня воздействия и зону с отсутствием выраженного воздействия.

В-1_В-2 В-3_Р~| В-5 в-б

Г ■ № и в ев

^ - Установка по сжиганию ПНГ

__ -1 зона (выраженный уровень воздействия)

Щ - 2 зона (с отсутствием выраженного воздействия)

Рис. 7. Результаты комплексного анализа многомерных данных на основе сочетания кластерного и

пространственного анализа

Всего нами были проанализированы данные с 16 ключевых участков: 6 - в южном и 10 -в восточном направлениях от стационарного источника загрязнения. В восточном направлении ключевые участки В-1 - В-6, расположенные на расстоянии до 2 км от факельной установки, отнесены в зону выраженного уровня воздействия, а участки В-7 - В-11 отнесены во вторую зону (2,5-8,5 км от факела) по силе воздействия атмосферного загрязнения на древостой. В южном направлении в зону с выраженным уровнем воздействия включены три ближайших к факельной установке участка - на расстоянии до 1,4 км. Полученное графическое представление результатов дает основание утверждать, что по мере удаления от источника выбросов степень нагрузки на древостой постепенно ослабевает.

Для выявления наиболее чувствительных биоиндикационных признаков двух тест-объектов нами была поставлена задача оценки динамики изменений отдельных показателей по зонам загрязнения. Для этого было вычислено процентное отношение зональных средних арифметических четырех показателей для сосны сибирской и ели сибирской (табл. 1).

Таблица 1

Изменения биоиндикационных показателен по зонам загрязнения, полученные в результа-

те комбинированного применения методов кластерного и пространственного анализа

Средние значения показателей по зонам загрязнения М2зона/М130на В ВОСТОЧНОМ направлении, % М^зона/М^зона В ЮЖНОМ направлении, %

Сосна сибирская (Pimis sibirica Du Tour"

Охвоенность побегов прошлого года 107,35 98,41

Охвоенность побегов текущего года 130,48 134,64

Масса хвои прошлого года 101,93 103,04

Масса хвои текущего года 132,01 131,09

Ель сибирская (Picea obovata Ledeb.)

Охвоенность побегов прошлого года 96,90 84,15

Охвоенность побегов текущего года _ 97,10

Масса хвои прошлого года 140,30 114,74

Масса хвои текущего года 98,88

Комбинированное применение методов кластерного и пространственного анализа позволило нам сделать выводы о приоритетности использования в целях биоиндикации побегов текущего года сосны сибирской. Отношения средних значений по выделенным зонам четырех маркерных показателей для побегов текущего года сосны сибирской устойчиво демонстрируют заметный уровень изменений в пределах 30-35 %.

Заключение

Комбинированное применение методов кластерного анализа биометрических данных и пространственного анализа средствами геоинформационных систем позволило провести районирование территории по степени атмосферного загрязнения в двух направлениях от факельной установки по сжиганию попутного газа. Районирование было проведено на основе комплексной оценки по 9 биоиндикационным показателям, причем сходные результаты были получены нами ранее по показателям массы хвои и охвоенности сосны сибирской. Это свидетельствует о наибольшей пригодности для практических целей биоиндикации в качестве тест-объекта сосны сибирской кедровой, при этом отбор проб хвои должен вестись с побегов прироста текущего года, когда восковое покрытие хвои минимально. Учет изменений массы хвои и охвоенности годичных побегов сосны сибирской в мониторинге атмосферных загрязнений на нефтедобывающих территориях дополнит принятые визуальные методы оценки лесных насаждений (определение доли ослабленных в различной степени деревьев, дефолиации крон, диспигментации хвои и пр.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев, В. А. Особенности описания древостоев в условиях атмосферного загрязнения // В кн.: Взаимодействие лесных экосистем и атмосферных загрязнений. - Ч. 1. Таллинн, 1982. - С. 97-115.

2. Влияние продуктов сжигания попутного газа при добыче нефти на репродуктивное состояние сосновых древостоев в северотаежной подзоне // Экология. 2006. - №2. - С. 122-126.

3. Битюкова В. Р., Чижова Н. Н. Полимасштабный анализ структуры загрязнения Западной Сибири / В. Р. Битюкова, Н. Н. Чижова // Экология и промышленность России. - 2006 -№ 9. - С. 4-9.

4. Букс, И. И. Оценка ландшафтов озера Байкал по их устойчивости к различным экологическим факторам и их сочетаниям / И. И. Букс, Б. Б. Прохоров, А. В. Салиев //Региональный мониторинг состояния озера Байкал / под ред. : Ю.А. Израэля, Ю.А. Анохина. -Волкова В. Г., Максимова Г. Н. - Л. : Гидрометеоиздат, 1987. - С. 23-35.

5. Волкова, В. Г. Некоторые аспекты устойчивости растений и растительных сообществ к техногенным выбросам в связи с планируемым развитием Саянского ТПК / В. Г. Волкова, Г. Н. Максимова // Охрана окружающей среды и географический прогноз. - Иркутск : ИГ СО РАН СССР, 1979.-С. 21-30.

6. Шебалова, Н. М. Оценка воздействия экстремальных условий на состояние древостоя сосны обыкновенной / Н. М. Шебалова, С. В. Залесов // Экология и человек. - № 5. - 2006. -С. 25-26.

7. Шелухо В. П. Биоиндикация хронического промышленного воздействия щелочного типа на компоненты хвойных лесонасаждений. - Брянск, 2001. - 205 с.