DOI: 10.34220/issn.2222-7962/2020.2/7 УДК 630*181:581.52
ВЛИЯНИЕ АВТОТРАНСПОРТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА РОСТ ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР
ЛИСТВЕННИЦЫ ЕВРОПЕЙСКОЙ
кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Н.А. Рыбакова кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник Ю.Б. Глазунов Институт лесоведения Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация
Представлены результаты 18-летнего мониторинга роста лесных культур лиственницы европейской (Larix decidua Mill.) в зоне влияния Московской кольцевой автодороги (МКАД), одной из крупнейших автомагистралей в европейской части России с нагрузкой около 9 тыс. автомобилей в час. Исследования проведены на трех пробных площадях, расположенных в 15, 35 и 100 м (контроль) от полотна автотрассы. Определялись морфометрические показатели лиственницы европейской через 4, 8 и 18 лет после посадки четырехлетних саженцев. Значительное угнетение роста лиственницы европейской вблизи МКАД выявлено по высоте, диаметру ствола, параметрам кроны. Наибольшее негативное влияние МКАД на ее рост проявилось в первые 4 года после создания лесных культур. Зона влияния автомагистрали на насаждение лиственницы составляет около 40 м. Дендрохронологический анализ древесины лиственницы показал, чтосуммарный годичный прирост на контроле достоверно более высокий, чем на участке вблизи магистрали. При этом приросты ранней древесины на участке вблизи МКАД в среднем на 23 % выше, чем на контроле, приросты поздней древесины на контроле превышают приросты на участке вблизи МКАД на 34 %. Анализ величины радиальных приростов древесины лиственницы европейской показал, что прирост ранней древесины наиболее тесно связан с суммарным количеством осадков в мае, июне и июле (коэффициент корреляции r = 0,33), поздней древесины - с количеством тепла в августе и сентябре (r = -0,44).
THE INFLUENCE OF MOTOR TRANSPORT POLLUTION ON THE GROWTH OF EUROPEAN LARCH
PhD (Agriculture), Senior Researcher N.A. Rybakova PhD (Agriculture), Leading Researcher Yu.B. Glazunov Forestry Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation
Abstarct
The results of an 18-year monitoring of the growth of European larch (Larix decidua Mill.) in the zone of influence of the Moscow Ring Road (MKAD), one of the largest highways in the European part of Russia with a load of about 9 thousand cars per hour, are presented. The studies have been carried out on three trial plots located at 15, 35 and 100 m (control) from the highway. The morphometric parameters of European larch were determined 4, 8 and 18 years after planting four-year-old seedlings. Significant inhibition of European larch growth near the MKAD was revealed by height, trunk diameter, and crown parameters. The largest negative impact of the MKAD on its growth was manifested in the first 4 years after the creation of forest crops. The area of influence of the motorway on larch stands is about 40 m. Dendrochronological analysis of larch wood has showed that the total annual growth in the control section is significantly higher than in the area near the highway. Moreover, the growth of early wood in the area near the Moscow Ring Road is on average 23 % higher than in the control one, the growth of late wood in the control area exceeds the growth in the area near the Moscow Ring Road by 34 %. An analysis of the radial increment of European larch wood has showed that the growth of early wood is most closely related to the total amount of rainfall in May, June and July (correlation coefficient r = 0.33), of late wood to the amount of heat in August and September (r = -0.44).
Введение
Влияние автотранспортного загрязнения на рост лесных насаждений складывается из воздействия выхлопных газов автомобилей и противогололедных реагентов, содержащих широкую гамму токсических веществ, негативно влияющих на рост и состояние насаждений вблизи автомагистралей. Рост древесных растений в условиях техногенного загрязнения подробно рассмотрен в обзорах В.С. Николаевского [1], И.Н. Павлова [2] и других [3]. Решающим фактором в угнетении придорожных насаждений исследованиями А.И. Самойлова [4], Г.И. Черноусенко [5], В.Н. Буркова [6] признано влияние противогололедных реагентов. Установлено, что загрязнение почвы вблизи МКАД достигает аномальных величин, по данным А.Б. Лысикова [7], на расстоянии 7-15 м от полотна, что приводит к снижению доступности для растений ряда элементов питания. В 25 м от МКАД количество загрязняющих веществ снижается вдвое и лишь через 50-100 м приближается к фоновому показателю [7]. Долговременных мониторинговых работ на постоянных пробных площадях по изучению влияния автотранспортного загрязнения на лесные культуры немного.
Исследования влияния автотранспортного загрязнения в городских условиях проводились в основном для лиственницы сибирской. Исследования Л.В. Афанасьева [8], Е.Н. Муратовой [9], Л.И. Романова [10] показывают, что лиственница сибирская является газоустойчивым видом, способным хорошо адаптироваться к неблагоприятным условиям среды. Напротив, О.В. Аврамен-ко [11] и В.В. Кузмичев [12] приводят данные о ее чувствительности к техногенным нагрузкам и возможности использования в качестве индикатора для оценки экологического состояния территорий. Лиственница европейская Larix decidua Mill., ин-тродуцированная в центре Русской равнины, характеризуются очень высокой продуктивностью, морозоустойчивостью, засухоустойчивостью, и ее выращивание признано перспективным [13].
Целью работы являлось определение степени долговременного влияния сильного загрязнения автомобильными выбросами и противогололедными реагентами Московской кольцевой автодороги на рост и развитие лесных культур лиственницы европейской, выявление зоны ее негативного воздействия, дендрохронологический анализ роста лиственницы на различном расстоянии от источника загрязнения.
Материалы и методы
Исследования роста лесных насаждений в экстремальных условиях автотранспортного загрязнения являются наиболее репрезентативными. Одной из самых загруженных магистралей является Московская кольцевая автомобильная дорога (МКАД), по которой передвигается около 9 тыс. автомобилей в час. Исследование влияния автотранспортного загрязнения на рост и развитие лиственницы европейской (Larix decidua Mill.) проведено на участке лесных культур площадью 1,5 га, который примыкает к МКАД в природно-историческом парке «Битцевский лес». Лесные культуры лиственницы европейской созданы весной 1999 г. на месте выпавшего после урагана 1998 года 120-летнего насаждения ели обыкновенной. Посадка проводилась 4-летними саженцами с закрытой корневой системой с расстоянием между рядами 2,5 м, в ряду - 1,0 м, плотность посадки 4 тыс. экз. га-1. Почва участка дерново-слабоподзолистая среднесуглинистая на покровных суглинках, подстилаемых моренными суглинками. Хорошая освещенность и дренированность участка создают благоприятные условия для роста лиственницы. Посадки лиственницы расположены всего в 15 м от полотна МКАД и представляют уникальный объект для исследования влияния сильного автотранспортного загрязнения.
Для исследований в 2003 г. заложены три пробные площади (ПП), находящиеся на различном расстоянии от полотна МКАД: ПП 1 - в 15 м, IIII 2 - в 35 м, ПП-3 - в 100 м (контроль). Закладка ПП на большем расстоянии от МКАД была невозможна из-за размера участка лесных культур. ПП площадью 450 м2 имеют прямоугольную форму, вытянуты вдоль МКАД с запада на восток и представлены тремя рядами деревьев. В 2003, 2008 и 2018 гг. после окончания роста побегов лиственницы определялись: высота деревьев (мерным шестом или электронным высотомером), высота начала кроны, диаметр ствола на высоте 0,1 м (в 2003 г.) и 1,3 м (в 2008 и 2018 г.), диаметр кроны в направлении вдоль и поперек ряда деревьев.
Для анализа радиальных приростов древесины осенью 2018 г. на ПП 1 и ПП 3 отобраны
дендрохронологические образцы (керны) возрастным буравом Пресслера. Отбор образцов производился с 6 деревьев на каждой ПП (3 дерева с диаметром ствола, близким к среднему, и 3 - к максимальному). Отбирали по 4 керна с каждого учетного дерева на высоте 1,3 м, в направлении на юг, север, запад и восток. Керны шлифовали и сканировали с разрешением 1200 dpi. Ширину годичных колец измеряли по сканам с точностью ± 0,05 мм. Для анализа отобранных образцов использованы программы Microsoft Excel 2007 и Sta-tistica 8.0.
Результаты исследования и их обсуждение
Через 15 лет после посадки лесных культур лиственницы европейской на ПП 1 вблизи МКАД сформировалось смешанное насаждение состава 7Лц2Ос1Лп+Д, ед.Кл., Яс., Б, плотностью 0,95 тыс. шт. га-1, редкий подлеск лещины обыкновенной (Corylus avellana L.), жимолости обыкновенной (Lonicera xylosteum L.), бузины кистистой (Sambucus racemosa L.). На ПП 2 состав насаждения 9Лц1Ос, плотность 1,01 тыс. шт. га-1, единичный подлесок бересклета бородавчатого (Euonymus verrucosus Scop.), жимолости обыкновенной (Lonicera xylosteum L.). На контрольном участке,
удаленном от МКАД на 100 м, сформировалось сомкнутое насаждение состава 10Лц с единичным подлеском бересклета бородавчатого и жимолости обыкновенной, плотность 1,11 тыс. шт. га-1. Подробная характеристика приведена в [14].
Угнетение роста лиственницы европейской на пробных площадях вблизи МКАД отмечено сразу после посадки лесных культур и сохранялось в течение всего периода наблюдений (табл. 1).
У 8-летней лиственницы на 1111 1, примыкающей к МКАД, отмечается снижение высоты в 2,3 раза по сравнению с контролем, на 1111 2 -в 1,7 раза. При увеличении возраста лиственницы различия в высоте между ПП сокращаются. У 13-летних деревьев высота на ПП 1 меньше, чем на контроле, в 1,3 раза, на ПП 2 - в 1,2 раза. Различия в высоте деревьев на ПП 1 и ПП 2 недостоверны по ^критерию Стьюдента (табл. 2). Это свидетельствует о негативном влиянии МКАД в полосе насаждения шириной около 40 м. У 23-летних деревьев высота на всех ПП близка, что может быть обусловлено увеличением затенения в глубине насаждения на контроле и лучшей освещенностью на его опушке. Опушечный эффект, видимо, будет усиливаться с увеличением возраста насаждения.
Таблица 1
Динамика морфометрических показателей деревьев лиственницы европейской на различном расстоянии
от МКАД
Средние:
Год учета возраст, лет № ПП высота, м диаметр ствола на высоте, мм параметры кроны
Источник: собственные вычисления авторов
Таблица 2
Достоверность различий морфометрических показателей лиственницы по --критерию Стьюдента
Год учета Критерий Стьюдента для показателей:
Пары ПП диаметр ствола на высо- параметры кроны
высота, м те мм
ПП 1-ПП 2 0,76 5,38 - 1,87 2003 ПП 1-ПП 3 9,15 20,22 11,77
ПП 2-ПП 3 10,39 12,93 9,65
ПП 1-ПП 2 1,38 3,01 3,32 2003 ПП 1-ПП 3 4,1 - 6,84 6,65
ПП 2-ПП 3 3,58 2,79 2,02
ПП 1-ПП 2 2,94 - 2,03 1,03 0,26
ПП 2-ПП 3 2,34 2,98 4,11 3,51
Источник: собственные вычисления авторов
Для оценки влияния загрязнения на рост насаждения может служить годичный линейный прирост. Средний многолетний годичный прирост лиственницы вблизи автотрассы, рассчитанный по периодам наблюдений, подтверждает, что наибольшее влияние МКАД на ее рост проявляется в первые годы после создания лесных культур. Увеличение прироста в период 2008-2018 гг. (0,66-0,69 м/год) по сравнению с 2003-2008 гг. (0,40-0,45 м/год) свидетельствует о постепенной адаптации лиственницы к условиям роста.
Различия в росте лиственницы европейской на различном расстоянии от МКАД хорошо отражает динамика диаметра ствола (табл. 1). Достоверные различия между пробными площадями по диаметру ствола по --критерию Стьюдента сохраняются в течение всего периода наблюдений. По мере увеличения возраста лиственницы различия сглаживаются, но остаются статистически достоверными. На 1111 1 и 1111 2 отмечается более высокий коэффициент вариации по диаметру стволов (27-28 %), чем на ПП 3 (15 %), связанный с отличиями в условиях освещенности на этих участках.
Вблизи МКАД на ПП 1 у молодых деревьев лиственницы до 8-летнего возраста отношение высоты деревьев к их диаметру по сравнению с контролем увеличивается. У лиственницы 13- и 28-летнего возраста отношение высоты к диаметру, напротив, уменьшается, что может указывать на адаптацию лиственницы к условиям загрязнения.
Существенно различаются параметры кроны деревьев лиственницы вблизи автотрассы и на контроле (табл. 1). При увеличении возраста лиственницы сохраняется значительное превышение площади горизонтальной проекции крон деревьев на 1111 3, по сравнению с ПП 1 и ПП 2. Объем кроны деревьев 23-летней лиственницы также достоверно различается между пробными площадями вблизи автотрассы и контролем. Отсутствие достоверных различий в параметрах кроны на ПП 1 и ПП 2 свидетельствует о том, что негативное влияние МКАД на рост лиственницы проявляется на расстоянии около 40 м. Несмотря на существенные различия в морфометрии кроны на ПП, необходимо отметить удовлетворительное состояние лесных культур лиственницы европейской, произрастающих вблизи МКАД.
С большой надежностью и объективностью вклад факторов, связанных с автотранспортным загрязнением, по мнению Н.В. Ловелиуса [15], показывает дендрохронологическая информация, которая может служить основой и для прогноза состояния насаждения в будущем. Несмотря на широкое прикладное использование дендрохроноло-гических данных, такой анализ еще недостаточно используется для изучения влияния городской среды на рост и развитие насаждений.
При дендрохронологическом анализе радиальных приростов лиственницы европейской по кернам, взятым в 2018 г., использованы данные радиального прироста ранней и поздней древесины и суммарный прирост за вегетационный период, осредненные по модельным деревьям (табл. 3).
Таблица 3
Радиальный прирост годичных колец лиственницы европейской у деревьев среднего и максимального
диаметра, мм
Год Ширина слоя радиального прироста древесины, мм
деревья среднего диаметра деревья максимального диаметра
ранняя древесина поздняя д] ревесина ранняя древесина поздняя древесина
ПП 1 ПП 3 ПП 1 ПП 3 ПП 1 ПП 3 ПП 1 ПП 3
Среднее 1,2±0,2 1,1±0,2 2,6±1,1 3,7±2,3 1,59±0,1 1,25±0,2 3,18±1,0 4,80±2,2
Источник: собственные вычисления авторов
Различия между ранней и поздней древесиной в радиальном приросте годичного кольца лиственницы хорошо выражены, преобладает прирост поздней древесины. На участке вблизи МКАД, в условиях наибольшего загрязнения среды, средне-многолетний прирост поздней древесины равен 66 % от годичного прироста, по сравнению с 76 % на контроле. При этом величина прироста поздней древесины на контроле была значительно выше (табл. 3). При увеличении возраста деревьев доля поздней древесины в годичном приросте постепенно уменьшается на обоих участках. Прирост поздней древесины в период 2004-2008 гг. по сравнению с периодом 2005-2018 гг. уменьшился на ПП 1 с 73 % до 64 %, на ПП 3 - с 82 % до 73 %.
Средний многолетний годичный радиальный прирост на ПП 1 вблизи МКАД на 22 % ниже, чем на контроле. У деревьев среднего диаметра прирост на ПП 1 и контроле составляет, соответственно, 3,83 и 4,76 мм, у деревьев максимального диаметра - 4,77 и 6,06 мм. Различия статистически достоверны по --критерию Стьюдента: для средних деревьев -факт. = 3,45, для максимальных 1факт. = 6,26, при ^,05 = 2,02. Превышение радиального прироста
на контроле наблюдается почти во все годы наблюдений (рис. 1). Синхронные колебания прироста по годам на ПП 1 и ПП 3 показывают одинаковую реакцию лиственницы на флуктуации метеорологических условий независимо от расстояния от МКАД.
Господствующие в насаждении деревья, имеющие максимальные высоту и диаметр в данных условиях произрастания, в наименьшей степени подвержены влиянию непосредственного окружения в насаждении. Изучение роста таких деревьев позволяет лучше оценить степень влияния внешних негативных факторов. У максимальных деревьев лиственницы средние многолетние приросты ранней древесины превышают приросты у деревьев среднего диаметра на 23 % на ПП 1, на 12 % на контрольной ПП 3. Однако приросты ранней древесины у максимальных деревьев на контроле (1,25 + 0,2 мм) ниже приростов на ПП вблизи МКАД (1,59 + 0,1 мм), и различия статистически достоверны: -факт. = 5,65, при ^,05 = 2,02. Более низкие приросты ранней древесины на контроле могут быть связаны с лучшей освещенностью ПП 1, примыкающей к МКАД и имеющей южную экспозицию, и, в связи с этим, более ранним началом вегетации лиственницы. Может иметь значение большее количество влаги, поступающей в почву при таянии снега, накапливающегося на границе насаждения и автотрассы в зимние месяцы и способствующее меньшему промерзанию и более раннему оттаиванию почвы и, как результат, более ранней вегетации.
Приросты поздней древесины у максимальных деревьев также превышают приросты у деревьев среднего диаметра: на ПП 1, соответственно, 3,18 ± 1,0 мм и 2,66 ± 1,1 мм, на контроле -4,86 ± 2,2 мм и 3,66 ± 2,3 мм. Приросты поздней древесины на контроле (4,86 ± 2,2 мм) выше приростов на ПП вблизи МКАД (3,18 ± 1,0 мм), различия статистически достоверны: 1факт. = 8,23 при 10,05 = 2,05.
Расчет радиального прироста древесины лиственницы по зонам ствола, направленным в сторону различных частей света, показал небольшую их асимметричность - некоторое превышение приростов в северной и восточной зоне стволов. У средних деревьев на ПП 1 и контроле превышение приростов древесины на север и восток невелико и составляет 2-6 %. Различия статистически недостоверны по ^критерию Стьюдента, что определяется малыми различиями в освещенности средних деревьев в насаждении. У деревьев максимального диаметра приросты на теневой стороне ствола на 10-11 % превышают приросты на световой стороне, так как кроны наиболее высоких в насаждении деревьев хорошо освещены. Различия статистически достоверны: на ПП 1 1факт. = 3,88, на ПП 3 1факт. = 5,05 при 10,05 = 2,02.
Рис. 1. Динамика приростов ранней и поздней древесины у средних (а) и максимальных (б) деревьев лиственницы европейской на различном расстоянии от МКАД (Графики построены на основе собственных данных авторов)
Хвойные виды отзывчивы на изменение внешних условий, повышение среднемесячной температуры воздуха и снижение суммы осадков в течение вегетационного периода приводит к снижению годичного прироста древесины. Анализу связи годичных приростов древесины различных древесных пород с погодными и почвенными факторами посвящено большое количество отечественных [16, 17, 18] и зарубежных исследований [19, 20, 21]. С помощью корреляционного анализа лимитирующий фактор может быть установлен только в экстремальных условиях произрастания, где число таких факторов снижается до минимума. В оптимальных условиях произрастания климатический фактор, лимитирующий прирост древесины, может меняться от года к году, и вследствие этого корреляционный анализ не выявляет достоверной связи прироста с колебаниями некоторых метеорологических параметров [17]. Для отдельных групп деревьев в древостое комплекс факторов, влияющих на прирост ранней и поздней древесины, различен.
Нами проведен анализ влияния некоторых метеорологических факторов на рост лиственницы европейской в условиях Москвы на небольшом временном интервале наблюдений. Использованы климатические данные ближайшей метеостанции в г. Домодедово. Анализ радиального прироста деревьев проводился по двум пробным площадям суммарно, т. к. они расположены в близких условиях произрастания. Для расчетов корреляции прироста ранней древесины использовали метеорологические показатели за май, июнь и июль. Включение в расчеты данных за июль обусловлено тем, что скорость роста побегов и хвои лиственницы зависит от температуры воздуха в этот период. Для расчетов корреляции прироста поздней древесины использовали данные за август и сентябрь. Установлено, что при уровне доверительной вероятности 0,05 и при числе степеней свободы 48 достоверны коэффициенты корреляции г = 0,27 и более, при вероятности 0,01 г = 0,35 и более.
Расчеты показали слабую связь между величиной годичного радиального прироста лиственницы европейской и количеством осадков за год (коэффициент корреляции г = 0,35) и очень слабую -с гидротермическим коэффициентом Г.Т. Селяни-нова - интегральным показателем увлажненности
(г = 0,19) и с суммарным количеством тепла более 10° (г = 0,17).
Установлено, что приросты ранней древесины наиболее тесно связаны с количеством осадков в весенне-летний период. Коэффициент корреляции между суммарным количеством осадков в мае, июне и июле равен 0,33 и достоверен при уровне вероятности 0,05. При этом наиболее тесная связь отмечается с осадками в июле (г = 0,36), что связано, возможно, со значимостью осадков при высоких температурах этого месяца. Связь с осадками мая и июня недостоверна (г = 0,17). Приросты поздней древесины лиственницы в значительной степени определяются количеством тепла в августе и сентябре. Наибольший коэффициент корреляции по абсолютному значению отмечен между величиной прироста и суммой средних суточных положительных температур за эти месяцы, составляет г = -0,44 и достоверен при вероятности 0,01. Повышение среднемесячных температур во второй половине вегетационного периода отрицательно сказывается на приросте поздней древесины, что подтверждается данными Д.Е. Румянцева и соавторов [22]. Приросты поздней древесины слабо связаны с суммарным количеством осадков в августе и сентябре (г = 0,23) и не связаны с количеством осадков в более ранний период (г = 0,08).
Приведенные в литературе коэффициенты корреляции величины радиальных приростов древесины лиственницы и метеопараметров колеблются в очень широком диапазоне и носят иногда случайный характер. Например, прирост ранней древесины лиственницы в условиях Подмосковья коррелирует с осадками августа [22].
Выводы
Приросты ранней древесины у максимальных деревьев выше на пробной площади вблизи МКАД (1,59 ± 0,1 мм), чем на контроле (1,25 ± 0,2 мм), что связано с более ранним началом вегетации лиственницы вблизи автотрассы. Величина приростов поздней древесины на контроле (4,8 ± 2,2 мм) значительно превышает приросты на участке вблизи МКАД (3,18 ± 1,0 мм). Различия статистически достоверны.
Библиографический список
References
Сведения об авторах
Рыбакова Наталья Алексеевна - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Института лесоведения РАН, г. Москва, Российская Федерация; e-mail: 1986620@gmail.com.
Глазунов Юрий Борисович - кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник Института лесоведения РАН, г. Москва, Российская Федерация; е-mail: glazunov@ilan.ras.ru.
Information about authors
Rybakova Natalya Alekseevna - PhD (Agriculture), Senior Researcher, Institute of Forestry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation; e-mail: 1986620@gmail.com.
Glazunov Yury Borisovich - PhD (Agriculture), Leading Researcher, Institute of Forestry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation; e-mail: glazunov@ilan.ras.ru.