Способ оценки состояния сосновых экосистем Казахского мелкосопочника по величине покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны

(51) 01 23/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ индикаторов его свойств. Использование эпифитных лишайников для определения критериев степени воздействия или изменения природных процессов является одним из методов биомониторинга, как наиболее прогрессивный метод оценки, набирающий темпы интенсивного развития за последние годы. Чувствительность предложенного метода,определяемая способностью биосистем реагировать на внешние воздействия изменением формы или физиологических процессов, во многих случаях превышает чувствительность технических систем. Предложенный способ позволит выявлять негативные процессы и разрабатывать прогнозы для принятия оптимальных решений по их предотвращению и реабилитации нарушенных сосновых экосистем. Биоиндикация имеет ряд преимуществ перед инструментальными методами. Она отличается высокой эффективностью, не требует больших затрат и дает возможность характеризовать состояние лесной экосистемы за длительный промежуток времени.(72) Портянко Алевтина Васильевна Данчева Анастасия Васильевна(73) Товарищество с ограниченной ответственностью Казахский научноисследовательский институт лесного хозяйства(56) Дюкарев А.Г., Пологова Н.Н. Мониторинг и оценка состояния лесных экосистем //. , 2008, .390-399(54) СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СОСНОВЫХ ЭКОСИСТЕМ КАЗАХСКОГО МЕЛКОСОПОЧНИКА ПО ВЕЛИЧИНЕ ПОКРЫТИЯ ЭПИФИТНЫМИ ЛИШАЙНИКАМИ СТВОЛОВ СОСНЫ(57) Заявленный способ оценки состояния сосновых экосистем рекреационного назначения обладает новизной и существенным отличием в отношении прототипов тем, что позволяет использовать живые организмы,представленные эпифитными лишайниками и выступающими как показатели состояния рассматриваемого объекта, в качестве Изобретение относится к области лесного хозяйства, в частности, к способу оценки состояния сосновых экосистем Казахского мелкосопочника по величине покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны. Анализ исследований по данному вопросу показывает достаточно большое количество методов оценки и прогноза динамики состояния насаждений. На первом месте, до настоящего времени,остаются Санитарные правила Санитарные правила в лесах СССР. М. Гослесхоз СССР, 1970. с.16., которые также используются при изучении воздействия техногенных выбросов. Для малолесных территорий РК и длительного использования лесных массивов в оздоровительных целях, назрела острая необходимость в выявлении дополнительных признаков в определении состояния сосновых насаждений рекреационного назначения. Для этого нужны теоретически обоснованные придержки для выделения каждой категории состояния, базирующиеся на повреждениях хвои,изменении ее размеров, возраста, прироста побегов,охвоенности деревьев,отмирании ветвей,побегообразовании. Для прогнозных оценок известен способ диагностики жизненного состояния деревьев и древостоев В.А. Алексеева Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. 1989. 4. с.1-57.,основанный на использовании нескольких диагностических признаков, взаимно дополняющих друг друга и усиливающих надежность оценки состояния деревьев. Основной принцип вышеуказанного способа заключается в расчете относительного показателя жизненного состояния древостоев с учетом крупности деревьев (объемных показателей) на основании данных, полученных в результате таксации деревьев. При перечете деревьям той или иной категории жизненности присваивается определенный коэффициент, который в дальнейшем используется в расчетах. Состояние здоровых деревьев приравнивается к 100, мертвых (старый и свежий сухостой) - к нулю. Для деревьев промежуточных градаций присваиваются коэффициенты, соответствующие их жизненному состоянию к моменту перечета. Оценка жизненного состояния определяется для каждого дерева с любой индивидуальной дробностью. Прогнозная оценка состояния дается на основе внешнего вида дерева, который определяется по следующим диагностическим признакам- продолжительность жизни хвои и ее цветовая характеристика. Отличие этого признака от нормы позволяет узнать одну из важнейших составляющих снижения густоты кроны- состояние ветвей верхней половины кроны дерева. Значительное разрушение кроны вследствие усыхания ветвей требует, даже после полного прекращения воздействия, вызывающих это явление факторов, длительной, иногда десятки лет,восстановительной деятельности дерева, причем у 2 особей большинства видов возвращение к первоначальному состоянию невозможно. При показателе 100-80 жизненное состояние дерева или древостоя оценивается как здоровое при 79-50 древостой считается поврежденным(сильно ослабленным) при 19 и ниже полностью разрушенным Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. 1989. 4. с.1-57 Недостатком указанного способа является сложность определения относительного жизненного состояния древостоя с учетом крупности деревьев или объемных показателей. Общий запас стволовой древесины здоровых деревьев лесообразователя(лесообразующих пород) на учетной площади или на 1 га умножается на 100 , далее сумма объемов поврежденных(ослабленных),сильно поврежденных и отмирающих деревьев на коэффициенты 70, 40 и 5 соответственно. Автор ссылается на широко распространенный способ расчета индексов состояния древостоев по числу стволов, как наиболее простой и быстрый,чем по объему, но гораздо менее точный, поскольку предлагается одинаковое значение деревьев разной крупности, разного ранга. В ходе проведенных нами исследований выявлен недостаток способа В.А. Алексеева Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. 1989. 4. с.1-57.,который значительно завышает расчетную величину относительного жизненного состояния, найденную через объем ствола в сравнении с показателем жизненного состояния, определяемым через число стволов. К примеру, в сосновом насаждении на опытном участке свежих условий произрастания (тип леса С 3), отмечено 30 стволов с повреждениями в виде плодовых тел, обильного смолотечения, глубоких трещин, механических повреждений и т.д. Относительное жизненное состояние древостоя,рассчитанное через объем ствола, равно 68,4, по числу стволов - 57,3. В ходе проведения нами мониторинговых работ за состоянием сосновых насаждений рекреационного назначения, предлагаемый автором Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. 1989. 4. с.157. комплекс диагностических признаков при отнесении дерева к той или иной категории на основании присвоенного коэффициента,соответствующего их состоянию, был дополнен следующими показателями- форма кроны, ее состояние и протяженность в горизонтальном и вертикальном направлениях с учетом биометрических показателей хвои. Форма кроны претерпевает сильные изменения не только с возрастом, но и в зависимости от условий произрастания, одним из которых является деформирующее действие ветра, что приводит к образованию флагообразной кроны. У деревьев,растущих на поляне, опушке или формирующихся в редкостойных насаждениях, значительно сильнее развиваются ветви на освещенной стороне, в результате чего крона получает одностороннее развитие. В загущенном сосновом насаждении кроны деревьев невелики, принимают сжатую форму и образуются лишь на вершине ствола- изменчивость биометрических показателей хвои в зависимости от жизненного состояния,определяемого для каждого дерева сосны при визуальном осмотре. Было отмечено снижение параметров хвои у деревьев, имеющих значительное поражение стволовыми гнилями. Это нашло подтверждение на взятых образцах кернов у этих деревьев,где разрушенность(трухлявость) древесного ствола составляла 80-90. (Научная работа по выявлению зависимости биометрических показателей ассимиляционного аппарата исследуемых сосновых древостоев различных категорий состояния от определенных признаков и показателей находится в стадии разработки)- качественное состояние деревьев, определяемое размерами деревьев и наличием пороков древесины в виде плодовых тел, гнилей, кривизны,свилеватости,трещин,наплывов,пожарных подсушин и механических повреждений на стволах сосны расчетная величина относительного проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны. Сгруппированные общие и отличительные признаки взятого за основу прототипа и предлагаемого способа приведены ниже. Прототип Решение Общие диагностические признаки, на основе которых присваивается соответствующий коэффициент жизненного состояния различных деревьев и древостоев, в 1 Густота кроны и ее цвет 1 Густота кроны и ее цвет 2 Состояние и просматриваемость скелетных ветвей 2 Состояние и просматриваемость скелетных ветвей верхней половины кроны верхней половины кроны 3 Наличие сухих или усыхающих ветвей 3 Наличие сухих или усыхающих ветвей Отличительные признаки 4 4 Форма кроны 5 5 Биометрические показатели хвои 6 6 Качественное состояние деревьев на основе встречающихся пороков, механических повреждений, пожарных подсушин 7 7 Величина покрытия эпифитными лишайниками ствола сосны от его основания до высоты 1,3-1,5 м 8 8 Величина нормального (фонового) показателя проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны, равное 70 для данного региона 9 В комплексе антропогенных факторов,отрицательно действующих на природную среду,особое место по масштабам и опасности воздействия занимает техногенное загрязнение атмосферы. Оно является серьезным экологическим фактором, действие которого влечет за собой угнетение роста и развития древесной растительности. В условиях леса, вследствие сильной изменчивости фактора загрязнения в пространственном и временном отношении и при современном уровне приборов измерения,установить четкую зависимость между загрязнением и повреждаемостью лесных насаждений и определить степень загрязнения очень сложно. В качестве индикаторов степени загрязнения природной среды наиболее пригодны организмы,занимающие низкие трофические уровни. Это,прежде всего, лишайники. Они встречаются почти 9 Расчетная величина относительного проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны с учетом нормального (фонового) проективного покрытия во всех наземных экосистемах. Использование этих удивительных организмов для прогнозирования и контроля состояния окружающей среды связано с их высокой чувствительностью к загрязнению. Благодаря этим биологическим особенностям и объясняется их широкое применение во многих странах в качестве биоиндикатора чистоты атмосферного воздуха Пастернак П.С., Ворон В.Н.,Мазепа В.Г. Влияние промышленного загрязнения атмосферы на лесные экосистемы и повышение их устойчивости. М ЦБНТИ лесхоза. 1985. с.3 Использование живых организмов-биоиндикаторов для определения степени загрязнения является одним из методов мониторинга, называемого биоиндикацией. Повышенная чувствительность лишайников к загрязнению воздуха, приводит к их гибели в результате улавливания существенной части питательных веществ из воздуха и дождевой воды 3 Федоров А.А. Жизнь растений. Том 3. Водоросли,лишайники. М. Просвещение, 1977. с.87., Жидков А.Н. Особенности накопления техногенных веществ эпифитными лишайниками в лесных экосистемах // Лесное хозяйство. 2003. 4. с.31-34 В способе оценки состояния лесных экосистем,предложенный А.Н. Жидковым Жидков А.Н. Диагностика состояния насаждений хвойных пород // Лесное хозяйство. 2000. 4. с.20-22., за основу взят признак повреждения лесной экосистемы под влиянием поллютантов, способствующих нарушению или разрушению покрова эпифитных лишайников. Вопрос исследования характера распространения эпифитных лишайников по стволам сосны в зависимости от состояния лесных насаждений находится на начальном этапе развития. Как подчеркивал А.Н. Жидков Жидков А.Н. Диагностика состояния насаждений хвойных пород // Лесное хозяйство. 2000. 4. с.20-22., методы изучения проективного покрытия эпифитных лишайников тоже, разумеется,не лишены недостатков. Есть уязвимые места прежде всего длительное развитие талломы (тела лишайника) на форофите, флуктуация его параметров от влажности, освещенности и типа леса. Недостатком предложенного способа является узкая специфика его применения, так как проведенные автором исследования были направлены на изменение проективного покрытия вида,как самого распространенного в хвойных лесах умеренной зоны эпифитного лишайника, являющего индикатором при ухудшении состояния древостоев в зависимости от сильного техногенного загрязнения атмосферы и изменении фитопатологической обстановки в лесу. В качестве прототипов нами вязы методы оценки состояния лесной экосистемы метод В.А. Алексеева Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. 1989. 4. с.157. и метод А.Н. Жидкова Жидков А.Н. Диагностика состояния насаждений хвойных пород // Лесное хозяйство. 2000. 4. с.20-22 Применение двух способов повлечет за собой выявление и оценку фактического состояния, степени нарушенности и прогноза развития древесной растительности, в частности лесов рекреационного назначения. Антропогенный прессинг на природную среду достиг таких размеров, что в отдельных регионах происходит ее необратимые изменения. Это касается всех компонентов - почвы, растительности и животного мира. Одной из причин такого положения является то, что современные подходы к оценке состояния и нормированию уровней воздействия на природную среду не способствуют ее сохранению, так как имеют явную антропоцентрическую направленность. В основе оценок лежит не экологические, а санитарно-гигиенические или даже строительные нормативы. В какой-то мере они позволяют определить уровень техногенных нагрузок,но вне связи с компонентом Дюкарев А.Г.,Пологова Н.Н. Мониторинг и оценка состояния лесных экосистем // Первоочередной задачей изобретения является повышение точности оценки состояния сосновых насаждений рекреационного назначения на основе дополнительного комплекса диагностических признаков и их связей, выявленных в ходе проведения мониторинговых работ и направленных на оценку динамики состояния лесов в их тесной взаимосвязи с изменением лесорастительных условий. Мониторинг обеспечивает контроль как естественного хода природных процессов в исследуемых насаждениях,имеющих негативный тренд развития, так изменения их состояния в процессе антропогенного воздействия. Техническим результатом предлагаемого способа является простота определения основных признаков и показателей оценки состояния сосновых насаждений рекреационного назначения при визуальном осмотре. Расчет индекса относительного проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны не составляет особого труда, а использование данного показателя отражает соотношение его с нормой в сравнении с абсолютными значениями проективного покрытия. Учитывая, что антропогенное воздействие на лесные экосистемы становится все значительнее и по масштабам, и по интенсивности своего проявления, а формы этого воздействия - разнообразнее, в настоящее время многие страны вынуждены принимать меры,нейтрализующие или ослабляющие влияние фактора загрязнение воздуха и почвы выбросами промышленных предприятий и транспорта. Наряду с загрязнением, одним из факторов экологического риска для лесных экосистем все чаще становится рекреационное лесопользование Рысин Л.П. Эколого-биологический мониторинг состояния лесов рекреационного назначения // Лесное хозяйство. 1990.2. с.30-32 Для Республики Казахстан, при незначительной величине лесных ресурсов и все возрастающем потоке туристов в связи с особой уникальностью и привлекательностью природной зоны рассматриваемого региона, характеризуемой целым комплексом особенностей, обусловленных средой обитания лесных массивов,рекреационное лесопользование становится особо актуальным вопросом. Данные выписки из Плана Управления Государственным учреждением ГНПП Бурабай(рисунок), только организованных туристов и отдыхающих дают обоснованную величину посещаемости территории ГНПП Бурабай (2009 год- прогнозная величина организованных туристов). Фиг. Поток организованных туристов на территории ГНПП Бурабай. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Обследование проводится в лесном насаждении, в котором необходимо выявить причины снижения жизненного потенциала сосновых насаждений, определить насколько утрачена устойчивость экосистемы и возможно ли ее восстановление в результате предпринятых мер. В запланированном лесном массиве проводят таксационные работы на ограниченном лесном участке - временной пробной площади (ВПП) с незначительным представительством особей на каждой пробе (20-30 деревьев), которая в наибольшей степени характеризует происходящие изменения для всего лесного массива. В подготовленную ведомость заносятся следующие измерения- диаметр дерева на высоте 1,3 м- величина проективного покрытия эпифитными лишайниками (в ), определяемый от основания ствола до высоты 1,3-1,5 м- виды встречаемых повреждений, пороков и т.д. Примером конкретного вычисления на основе отдельно взятого фрагмента по материалам полевых исследований сосновых насаждений ГНПП Бурабай на опытном участке 5 являются данные,представленные в таблице 1. Проективное покрытие эпифитными лишайниками стволов сосны,2006 2011 5,0 2,0 Индекс относительного покрытия лишайников при норме 70 2006 2011 0,07 0,03 Относительный показатель жизненного состояния, рассчитанный с учетом объемных показателей каждого ствола для приведенного фрагмента равен 72,6,что значительно приближает исследуемое насаждение к категории условно здоровое. В действительности же, как для выбранного числа стволов (20 шт), так и для всего опытного участка (ПО деревьев) встречаемость стволов сосны с различного рода повреждениями,преимущественно в виде обильного смолотечения,сопровождаемого наличием плодовых тел,составляет 50 для 20 стволов и 30 для всего соснового насаждения на опытном участке. Сосновое насаждение, взятое в качестве примера,характеризуется следующими показателями- чистое по составу сосновое насаждение - 10 С Виды встречающих ся повреждений смолотечени е смолотечени е затески затески смолотечение 7 желтой хвои плодовое тело смолотечение плодовое тело смолотечение- тип условий местопроизрастания - свежие сосняки - С 3- запас стволовой древисины - 328,0 м 3/га. Исследуемый опытный участок находится в зоне активного посещения (ФЗ-) и техногенного загрязнения от выхлопных газов автотранспорта и выбросов котельной станции. По средней величине расчетного жизненного состояния, которое в 2006 году составила 56,8 и в 2011 году - 59,5 (таблица 1) исследуемому насаждению присваивается индекс состояния ИС- (Шкала оценки состояния), то есть данное насаждение относится к категории ослабленного в начальной стадии. 5 Однако, по средней величине проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны, которое в 2006 г. составило 6,2 и в 2011 г. 2,6, а также по индексу относительного покрытия- 0,09 и 0,04 соответственно, жизненное состояние данного насаждения по Шкале оценки состояния снижается до категории - ослабленное прогрессирующей стадии с индексом состояния ИС-, величина относительного жизненного состояния которого изменяется от 20 до 49. Индекс относительного эпифитного покрытия лишайниками стволов характеризует параметры распределения всей синузии эпифитных лишайников по поверхности стволов сосны. Может использоваться как для каждого дерева, так и для насаждения в целом. Индекс относительного эпифитного покрытия лишайниками по стволам сосны определяется по формуле Жидков А.Н. Особенности накопления техногенных веществ эпифитными лишайниками в лесных экосистемах // Лесное хозяйство. 2003. 4 с.31-34.(1) где КПП - индекс относительного эпифитного покрытия лишайниками стволов- фактическая величина эпифитного покрытия лишайниками на исследуемых стволах 1 - величина нормативного (фонового) эпифитного покрытия стволов сосны лишайниками(70 для данного региона исследований). Для сухих условий произрастания (тип леса 1) в зоне активного посещения (ФЗ-) средняя величина покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны изменяется в 2006 и 2011 годах в пределах от 1,00,2 до 1,10,3 соответственно (таблица 2). Сосновые насаждения, приуроченные к двум другим функциональным зонам (ФЗ), относятся к категории ослабленных в стадии прогрессирования(ИС-Ш). Объясняется это предельно возрастными показателями,нарушением хозяйственной деятельности, сокращением сроков межпожарного периода, а также использования их в рекреационных целях. Таблица 2 Функциональная зона Год наблю Индекс Относительный показатель(ФЗ) функциональной дений жизненного состояния,зоны по числу стволов с учетом объема ствола Зона активного посещения Зона умеренного посещения Зона слабого посещения(условно контроль) Зона активного посещения Зона слабого посещения Сухие условия произрастания 2006 53,32,3 ФЗ 2011 57,82,4 2006 66,41,2 ФЗ 2011 76,11,2 2006 72,61,5 ФЗ-к 2011 69,9 1,6 Свежие условия произрастания 2006 57,31,9 ФЗ 2011 61,11,9 2006 63,62,0 ФЗ- к 2011 72,01,7 По утверждению А.Н. Жидкова Жидков А.Н. Особенности накопления техногенных веществ эпифитными лишайниками в лесных экосистемах // Лесное хозяйство. 2003. 4 с.31-34.,использование абсолютных значений видового состава и проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны не всегда удобно, так как в первую очередь не отражает их соотношения с нормой. С целью устранения этого недостатка автор воспользовался общепринятыми в биологии коэффициентами относительного обилия видов и проективного покрытия ствола на высоте 1,3-1,5 м. Эти коэффициенты характеризуют параметры распространения каждого вида в отдельности или всей синузии видов по отношению к нормальному(фоновому) значению параметров. В нашем случае было затруднительным найти норму - 100-ое покрытие эпифитными лишайниками стволов сосны. В ходе проведения исследований нами была выявлена максимальная 6 Величина проективного покрытия лишайниками стволов,величина покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны, не превышающая 70. Поэтому данный показатель был взят за основу в расчетах для данного региона. Исследуемые насаждения значительно ослаблены,что подтверждается величиной показателя относительного жизненного состояния,определенного через число стволов, а также незначительной величиной относительного проективного покрытия эпифитных лишайников(таблица 2). Используя значение нормального (фонового) показателя проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны, величина которого не превышает 70 для данного региона (в каждом конкретном случае величина фонового показателя определяется согласно лесорастительным условиям и сложившейся экологической обстановки исследуемого региона) мы получили возможность учитывать изменчивость пространственного распределения эпифитной флоры. При этом мы не ставили задачу определения распространения каждого вида в отдельности, для нас было важно проективное покрытие всей синузии видов по отношению к нормальному (фоновому) значению параметров. Большинство представителей эпифитных лишайников относятся к листовым и кустистым видам, имеющим серую окраску и легко отслаивающихся от коры стволов сосны. Необходимо учитывать один важный момент при обследовании насаждений и определении показателя жизненного состояния на основе величины покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны - нельзя брать в расчет проективное покрытие лишайников, относящихся к накипным видам, имеющих темно-зеленую окраску, на ощупь- бархатистого строения и плотно прилегающих к поверхности коры нижней части стволов сосны и,выступающим на поверхность, корневым лапам. Таллома (тело) этих лишайников с корой дерева и корнями образуют единое целое и отделить представителей данного вида лишайников можно только путем отслаивания их вместе с корой. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ оценки состояния сосновых экосистем по величине покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны, включающий определение густоты кроны и ее цвет, состояние и просматриваемость скелетных ветвей верхней половины кроны,наличие сухих или усыхающих ветвей,относительный показатель жизненного состояния,отличающийся тем, что дополнительно выявляют диагностические показатели, к которым относятся форма кроны, биометрические показатели хвои,качественное состояние деревьев на основе встречающихся пороков,механических повреждений, пожарных подсушин, величину покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны от их основания до высоты 1,3-1,5 м, величину фонового показателя проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны,расчетную величину относительного проективного покрытия эпифитными лишайниками стволов сосны с учетом фонового проективного покрытия.