CC BY
53
УДК 630.161.32:582.47(571.53) Е.В. Попова, Г.Г. Суворова, М.В. Оскорбина,
Л.Д. Копытова, Л.С. Янькова, В.А. Осколков, А.А. Могильников
ОЦЕНКА САНИТАРНО-ОЗДОРОВИТЕЛЬНОЙ ФУНКЦИИ ХВОЙНЫХ ДРЕВОСТОЕВ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИ ПРОДУЦИРУЕМОГО КИСЛОРОДА1
В статье проведена оценка кислородопродуцирующей функции древостоев сосны обыкновенной, ели сибирской и лиственницы сибирской. При помощи программного пакета Arcview 3.3 построены карты продукции кислорода хвойных на территории административных районов Иркутской области.
Ключевые слова: хвойные, фотосинтетическая продуктивность, кислород, Иркутская область.
E.V. Popova, G.G. Suvorova, M.V. Oskorbina, L.D. Kopytova, L.S. Yankova, V.A. Oskolkov, A.A. Mogilnikov
ESTIMATION OF SANITARY AND THERAPEUTIC FUNCTIONS OF CONIFEROUS FOREST STANDS IN THE
IRKUTSK REGION ON THE INDICATORS OF THE PHOTOSYNTHETICALLY PRODUCED OXYGEN
Estimation of the oxygen producing function of the forest stands of ordinary pine, Siberian fir-tree and Siberian larch is conducted in the article. By means of the software package Arcview 3.3 maps of coniferous oxygen production on the administrative area territory in the Irkutsk region are constructed.
Key words: coniferous, photosynthetic efficiency, oxygen, the Irkutsk region.
Глобальная общепланетарная функция лесов заключается в аккумулировании в процессе фотосинтеза атмосферного СО2, синтезе органического вещества и выделении кислорода. Бореальные леса играют важную роль в глобальном цикле углерода [1]. Около 73 % площади бореальных лесов мира расположены в России, в том числе 42 % сосредоточены в Сибири [2]. Хвойные формации в Иркутской области занимают 47,4 млн га, или 80,5 % общей площади лесов, что свидетельствует об их высокой ценности [3].
При ежегодном приросте древесной массы в объеме 89,58 млн м3 леса области ежегодно производят значительное количество кислорода, что является существенным вкладом в кислородный баланс земной атмосферы и определяет роль иркутского леса в мировой экологии [4].
Цель исследований. Оценка кислородопродуцирующей функции древостоев сосны обыкновенной (Рinus sylvestris L.), ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) и лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), произрастающих на территории Иркутской области.
Объекты и методы исследований. Исследования углекислотного газообмена проводили на примере трех видов хвойных - сосны обыкновенной (Рinus sylvestris L.), лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) и ели сибирской (Picea obovata Lebed.), наиболее распространенных на территории Иркутской области и имеющих наиболее важное экологическое значение.
Сосна обыкновенная (Рinus sylvestris L.) - одна из основных лесообразующих пород таежной зоны Сибири [5]. Сосновые древостои занимают 16,6 млн га, или 28,1 % покрытых лесом земель области. Благодаря уникальным физиологическим свойствам (морозостойкости, засухоустойчивости, неприхотливости к почвенно-грунтовым условиям), сосна представлена во всех лесорастительных зонах и административных районах области [3].
Лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.) распространена в западных и центральных районах области, занимая более благоприятные лесорастительные условия - долины рек на хорошо прогреваемых, богатых и достаточно увлажненных почвах [3]. Лиственница сибирская хорошо приспособлена к суровым климатическим условиям, однако отличается наибольшим светолюбием среди основных древесных пород [6-7].
Леса с участием ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) занимают четвертое место среди хвойных древостоев (3,44 млн га, или 5,8 %). В условиях Иркутской области ель расселяется главным образом вдоль рек и ручьев, где является преобладающей породой [3]. Ель сибирская обладает более широкой экологической амплитудой, выносит низкую температуру в северных и восточных районах, но в сухом климате становится менее конкурентоспособной и замещается другими видами [8].
Фотосинтетическое поглощение углекислого газа охвоенными побегами прошлого года жизни регистрировали многоканальной установкой, смонтированной на основе ИК-газоанализатора «Infralyt-4» [9] на экспериментальном участке, заложенном на окраине г. Иркутска в 1983 г.
Эксперименты проводили ежегодно с 1995 по 2009 г. с начала периода вегетации в апреле-мае до его окончания в конце октября. Параллельно с измерением интенсивности фотосинтеза регистрировалась
1 Работа выполнена при поддержке грантов Программы Президиума РАН № 26Б.3.31 и интеграционного проекта СО РАН №121.
температура воздуха и почвы, суммарная солнечная радиация и влажность воздуха, а также погодные условия и осадки.
Сформированная на основе исследований база данных фотосинтеза хвойных и факторов среды включена как информационно-телекоммуникационный ресурс в портал «Геосистемы и биоразнообразие Прибайкалья и Забайкалья».
Годичную фотосинтетическую продуктивность рассчитывали как сумму показаний фотосинтетической продуктивности за все месяцы вегетации.
Продуктивность фотосинтеза за вегетацию для деревьев данного возраста рассчитали, исходя из данных о среднем возрасте [10] и классе бонитета хвойных древостоев Иркутской области (табл. 1). Абсолютно сухую массу хвои на 1 га для лиственницы приняли равной 2,6 т [2], для сосны и ели определили (с учетом коэффициентов перевода 0,78 и 0,48) равными 0,6 и 0,46 т соответственно [11].
Таблица 1
Средние таксационные показатели хвойных древостоев на территории Иркутской области [12]
Порода Возраст, лет Класс бонитета
Сосна 107 3
Лиственница 126 4
Ель 116 4
Выделяемый в процессе фотосинтеза кислород был рассчитан по нетто-фотосинтетической продуктивности хвои. Продукцию кислорода на территории каждого административного района Иркутской области рассчитывали как произведение всей сухой массы хвои древостоев территории на годичную фотосинтетиче-скую продуктивность единицы (1 г) сухой массы хвои. Масса хвои определена по данным лесхозов Иркутской области [3].
Обеспеченность кислородом населения административных районов Иркутской области в расчете на одного жителя была определена с учетом данных о необходимом количестве потребления кислорода организмом человека в покое при минимальном газообмене и при тяжелой мышечной работе [13].
Результаты исследований и их обсуждение. Для исследований динамики фотосинтетической продуктивности хвойных древостоев в условиях почвенной засухи и в оптимальных условиях увлажнения из базы данных (1995-2009 гг.) были выбраны 2003-2004 гг., существенно отличающиеся по количеству осадков и теплообеспеченности. Вегетационный сезон 2003 года был засушливым и жарким, а 2004 г. - дождливым, теплым влажным, но с превышением среднемноголетнего уровня солнечной радиации [14].
Результаты расчета годичной фотосинтетической продуктивности трех видов хвойных по среднемноголетним данным в условиях засушливого (2003 г.) и оптимально влажного сезонов вегетации (2004 г.) представлены в табл. 2.
Таблица2
Годичная продуктивность фотосинтеза хвойных на территории Иркутской области по среднемноголетним данным при почвенной засухе (2003 г.) и оптимальном увлажнении (2004 г.)
Показатель Продуктивность фотосинтеза, т СО2 га-1
Сосна Ель Лиственница
Среднемноголетние данные 11,8 21,4 13,9
2003 г. 6,2 10,9 9,5
2004 г. 17,3 55,0 14,1
Анализ данных, приведенных в табл. 2, показывает, что в зависимости от условий вегетационного сезона фотосинтетическая продуктивность изменяется в значительных пределах: у сосны - 6,2-17,3 т СО2 га-1, у лиственницы - 9,5-14,1, у ели - 10,9-55,0 т СО2 га-1. В соответствии с этими данными сезонная продуктивность фотосинтеза разных видов изменяется довольно существенно - от 1,5 до 5 раз. Однако амплитуда изменений этих показателей у деревьев исследованных пород различается. У сосны и лиственницы по сравнению с елью она ниже, что говорит о более широкой экологической валентности этих пород. В то же время показатели высокой продуктивности фотосинтеза ели в оптимально влажный сезон свидетельствуют о ее большей экологической специализации в связи с приспособленностью к более увлажненным местообитаниям.
Для определения количества кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза хвойными древостоя-ми на территории Иркутской области, нами были приняты следующие допущения: 1) фотосинтез хвойных
протекает относительно одинаково на всей территории области; 2) климатические условия на территории примерно однородны.
По фотосинтетической продуктивности хвои с учетом ее дыхательных затрат был рассчитан выделяемый в процессе фотосинтеза кислород по среднемноголетним данным, а также для 2003-2004 гг. на единицу площади поверхности (1 га) (табл. 3) и на территорию каждого административного района Иркутской области. Масса хвои определена по данным лесхозов [3].
Таблица 3
Годичная продукция кислорода хвойными древостоями на территории Иркутской области по среднемноголетним данным в условиях засухи (2003 г.) и оптимальной влажности (2004 г.)
Показатель Продукция кислорода, т О2 га-1
Сосна Ель Лиственница
Среднемноголетние данные 8,6 15,6 10,1
2003 г. 4,5 7,9 6,9
2004 г. 12,5 40,0 10,2
Из данных, представленных в табл. 3, следует, что величины кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза, для сосны изменяются в диапазоне 4,5-12,5 т О2 га-1 со средним значением 8,6, для ели - 7,940,0 со средним значением 15,6, для лиственницы - 6,9-10,2 т О2 га-1 со средним значением 10,1. В целом по области продукция кислорода всеми хвойными древостоями составляет 85,3-226,1-106 т О2.
В зависимости от гидротермических условий сезона вегетации продукция кислорода при фотосинтезе, также как фотосинтетическое поглощение СО2, у хвойных изменяется от 1,5 до 5 раз. Расчетные значения фото-синтетической продуктивности и продукции кислорода отражают одинаковую направленность и силу процессов.
На основе полученных данных рассчитано количество кислорода, выделяемого хвойными древостоя-ми на одного жителя каждого административного района Иркутской области по среднемноголетним данным, а также для 2003-2004 гг. При помощи программного пакета ArcView GIS 3.3 построены карты продукции кислорода в расчете на одного жителя.
Данные показывают (рис. 1-3), что величина объема кислорода в зависимости от условий вегетации изменяется по административным районам Иркутской области в диапазоне от 43 до 9-105 л в год на человека.
Административные районы
1 Катангский 18 Качугский
2 Бодайбинский 19 Ольхонский
3 Мамско-Чуйский 20 Зиминский
4 Усть-Илимский 21 Нукутский
5 Киренский 22 Осинский
6 Усть-Кутский 23 Заларинский
7 Чунский 24 Аларский
8 Тайшетский 25 Баяндаевский
9 Нижнеилимский 26 Боханский
10 Казачинско- 27 Эхирит-
Ленский Булагатский
11 Братский 28 Черемховский
12 Усть-Удинский 29 Иркутский
13 Нижнеудинский 30 Усольский
14 Жигаловский 31 Ангарский
15 Балаганский 32 Шелеховский
16 Куйтунский 33 Слюдянский
17 Тулунский
Рис. 1. Продукция кислорода хвойными древостоями на территории административных районов Иркутской области в условиях оптимально влажного сезона вегетации (2004 г.), л Ог/чел.
Рис. 2. Продукция кислорода хвойными древостоями на территории административных районов Иркутской области по среднемноголетним данным, л 02/чел.
Рис. 3. Продукция кислорода хвойными древостоями на территории административных районов Иркутской области в условиях засушливого сезона вегетации (2003 г.), л О2/чел.
В благоприятный для фотосинтеза год все хвойные древостой Иркутской области вырабатывают количество кислорода, обеспечивающее жизнедеятельность [13] одного человека в зависимости от района проживания до 7 лет в состоянии покоя и до 7 месяцев при выполнении тяжелой мышечной работы (рис. 1). Из представленных данных следует, что к числу благоприятных по обеспеченности кислородом районов относятся 12, сосредоточенные в основном в Верхнеленском и Катангском лесоэкономических районах. Пять районов можно охарактеризовать как районы с удовлетворительными условиями, в остальных 16 продукция кислорода в расчете на одного жителя достаточно низкая.
При среднемноголетних (рис. 2) и экстремальных условиях вегетации (рис. 3) количество продуцируемого кислорода значительно меньше за счет снижения фотосинтетической продуктивности хвойных и увеличения дыхательной активности хвои. Как уже отмечалось ранее, по сравнению с оптимальным годом продуктивность фотосинтеза сокращается от 1,5 до 5 раз. В связи с этим происходит увеличение числа районов с низкой продукцией кислорода. Таким образом, количество благоприятных по обеспеченности кислородом районов по среднемноголетним данным и по данным 2003 г. уменьшается по отношению к 2004 г. практически в 1,5-3 раза. В расчете на одного жителя с учетом района проживания фотосинтетически вырабатываемого кислорода хвойными древостоями достаточно до 2,5-4,5 лет жизни в состоянии покоя и до 3-5 месяцев при выполнении тяжелой работы, что практически в 2 раза меньше по сравнению с оптимальным годом.
Наиболее обеспеченные кислородом территории сосредоточены в центральной и северной части Иркутской области, где величина продуцируемого кислорода изменяется от 8^104 до 90104 л в год на человека в зависимости от условий вегетации. Самым благоприятным районом является Киренский, который характеризуется низкой численностью населения и преобладающей долей хвойных лесов области.
В южной части Иркутской области сконцентрированы сельскохозяйственные и индустриальные районы, расположены крупные города Иркутск и Ангарск, кроме того, в этой части области сосредоточено около 75 % населения, соответственно здесь преобладают обезлесенные территории. В связи с этим данные районы имеют низкую обеспеченность жителей фотосинтетически продуцируемым кислородом. Выделяемого количества кислорода здесь достаточно до 5 месяцев жизни одного человека в состоянии покоя и полумесяца при выполнении тяжелой мышечной работы. Районы с высокой численностью населения (Иркутский, Ангарский, Усольский, Черемховский), за исключением Братского и Усть-Илимского, имеют практически самое низкое количество продуцируемого кислорода, которого достаточно до полумесяца жизни одного человека в состоянии покоя и одного дня при выполнении тяжелой мышечной работы. Братский и Усть-Илимский районы входят в пятерку наиболее лесистых районов области и, несмотря на высокую численность населения, имеют достаточную обеспеченность кислородом.
Анализируя среднемноголетние данные, можно сделать вывод, что оптимальными для здоровья и жизнедеятельности населения являются 12 районов области. К районам с удовлетворительными условиями относятся 2, а неблагоприятными по обеспеченности кислородом следует считать 20 районов.
Таким образом, на основе показателей продуцируемого в процессе фотосинтеза кислорода может быть проведена количественная оценка санитарно-оздоровительной функции лесов области и ее отдельных административных районов. Особенно важной такая оценка является для индустриально развитых административных районов области. Следовательно, мы можем рекомендовать административным и хозяйственным органам этих образований обязательное проведение лесовосстановительных и лесопосадочных мероприятий для сохранения высокого уровня работоспособности и продолжительности жизни жителей области.
Литература
1. Biomass burning as a source of atmospheric gases CO, H2, N2J, NO, CH3Cl and COS, Nature 282 / P.J. Crutzen, L.E. Heidtl, J.P. Krasnec [at el.]. - 1979. - Р. 253-256.
2. Алексеев В.Н., Берси Р.А. Углерод в экосистемах лесов и болот России. - Красноярск: Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 1994. - 218 с.
3. ВащукЛ.Н., Швиденко А.З. Динамика лесных пространств Иркутской области. - Иркутск, 2006. - 392 с.
4. Леса и лесное хозяйство Иркутской области / Л.Н. Ващук, Л.В. Попов, Н.М. Красный [и др.] / под ред. Л.Н. Ващука. - Иркутск, 1997. - 288 с.
5. ПравдинЛ.Ф. Ель европейская и ель сибирская в СССР. - М.: Наука, 1975. - 176 с.
6. ШиманюкА.П. Биология древесных и кустарниковых пород СССР. - М.: Учпедгиз, 1957. - С. 10-21.
7. Попов Л.В. Южнотаежные леса Средней Сибири. - Иркутск: Изд-во ИГУ, 1982. - С. 52-60.
8. Пузаченко Ю.Г., Сиунова Е.В. Построение и обновление почвенной карты на основе дистанционной информации (Landsat 7) и трехмерной модели рельефа // Экология в современном мире: взгляд научной молодежи: мат-лы Всерос. конф. - Улан-Удэ: Изд-во ГУЗ РЦМП МЗ РБ, 2007. - С. 301.
9. Щербатюк А.С. Многоканальные установки с СО2-газоанализаторами для лабораторных и полевых исследований // Инфракрасные газоанализаторы в изучении газообмена растений. - М.: Наука, 1990. - С. 38-54.
10. Суворова Г.Г. Фотосинтез и рост хвойных лесостепного Предбайкалья: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Иркутск, 1992. - 19 с.
11. Лесотаксационный справочник / Б.И. Грошев, С.Г. Синицын, П.И. Мороз [и др.]. - М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 288 с.
12. Лонг С.П., Холлгрен Д.Е. Измерение ассимиляции СО2 растениями в полевых и лабораторных условиях // Фотосинтез и биопродуктивность: методы определения / под ред. А.Т. Мокроносова. - М.: Аг-ропромиздат, 1989. - 115 с.
13. ЧарныйА.М. Патофизиология гипоксических состояний. - М.: Медгиз, 1961. - 343 с.
14. Использование ГИС-технологий в построении карт фотосинтеза хвойных на больших территориях / Г.Г. Суворова, А.Т. Деловеров, М.В. Оскорбина [и др.] // Успехи современной биологии. - 2010. -Т. 130. - № 3. - С. 275-285.
УДК 582+630*18 Р.А. Зиганшин, В.И. Воронин, Ю.М. Карбаинов
МОНИТОРИНГ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ТАЙМЫРА
В статье на основании анализа литературных источников и материалов собственных исследований дается анализ экологической обстановки на Таймыре в связи с аэротехногенным воздействием Норильского горно-металлургического комбината. Оценивается динамика состояния лесов за последние десятилетия в полосе от непосредственной близости до 200 и более километров от комбината с учетом ландшафтной структуры территории. Отмечено прогрессирующее с начала 80-х годов усыхание больших массивов северных лесов.
Ключевые слова: Таймыр, Норильский горно-металлургический комбинат, промышленные аэрозоли, северные леса, экологическая катастрофа.
R.A. Ziganshin, V.I. Voronin, Yu.M. Karbainov FOREST ECOSYSTEM MONITORING IN TAIMYR
The analysis of ecological conditions in Taimyr in connection with aerotechnogenic influence of Norilsk mountain-metallurgical industrial complex is given in the article on the basis of the analysis of literary sources and the materials of own research. Dynamics of forest condition for the last decades in a strip from direct affinity to 200 and more kilometers from the industrial complex taking into account landscape structure of the territory is estimated. Drying of the big forest areas in the northern forests progressing from the beginning of the 80th years is emphasized.
Key words: Taimyr, Norilsk metallurgical-industrial complex, industrial aerosols, northern forests, ecological catastrophe.
В результате форсированного промышленного освоения недр Таймыра уничтожены и повреждены тысячи гектаров растительного покрова и почв [9]. По данным С.Л. Менщикова [8], общая площадь поврежденных лесов составила уже свыше 500 тыс. га.
В районе Хантайско-Рыбнинской межгорной котловины (Норильской долины) практически закончилось формирование техногенного ландшафта, без сомнения полностью утратившего какие-либо природные способности к самовосстановлению. В Норильске воздух 100 дней в году загрязнен на уровне более 10 ПДК [9].
Результат многообразного антропогенного индустриального воздействия вылился в деградацию толщ вечномерзлого грунта, развитие термокарста и солифлюкцию, отравление воздуха, воды и почв, загрязнение великих озер Таймыра и рек с западным и северным стоком.
Мониторинговые исследования на Таймыре, в частности, наблюдения за пастбищами и предтундро-выми лесами, необходимы ввиду исключительно высокой климатообразующей роли северных территорий, больших запасов здесь пресной воды, постоянного взаимодействия их с водами Мирового океана и загрязнения поступающих сюда воздушных масс.
