Влияние экологических факторов на формирование лесных фитоценозов приангарья
На правах рукописи
Михайлов Юрий Зиновьевич ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЛЕСНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ ПРИАНГАРЬЯ Специальность 03.00.16. – «Экология»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Братск 2008 2
Работа выполнена на кафедре лесоинженерного дела ГОУВПО «Братский государственный университет» (г. Братск).
Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, профессор Елена Михайловна Рунова Официальные оппоненты – доктор биологических наук, профессор Виктор Иванович Воронин кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Шихранов Олег Геннадьевич Ведущая организация – ГОУ ВПО «Тихоокеанский государствен ный университет», г. Хабаровск
Защита состоится 18 декабря 2008 г. в 10-00 ч. на заседа нии диссертационного совета ДМ 212.018.03. в Братском государ ственном университете по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макарен ко, 40.
Факс: (3953) 33-20- Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать ученому секретарю диссертационно го совета ДМ 212.018.03.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БрГУ.
Автореферат разослан « 18 » ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Чжан С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Роль лесов чрезвычайно велика и заключа ется в регулировании экологического равновесия биосферы и сохранении биологического разнообразия. Современные лесные экосистемы Прианга рья характеризуется преобладанием светлохвойной тайги на равнинах и плато с незначительным участием темнохвойных ландшафтов. Леса пред ставляют собой открытую термодинамическую систему, непрерывно об менивающуюся веществом и энергией с внешней средой. Внешние фак торы среды органически связаны с динамикой лесных сообществ, поэтому рациональное ведение лесного хозяйства невозможно без всестороннего изучения климатических, радиационных, почвенно-географических и гид рологических процессов. В связи с этим, исследование взаимодействия экологических факторов на процессы формирования и динамики лесных фитоценозов в климатических и антропогенных условиях Приангарья яв ляется актуальным.
Цель работы заключается в комплексном исследовании природных условий Приангарья в связи с естественным и антропогенным воздейст вием на лесные фитоценозы.
К основным задачам диссертационной работы относятся:
- выявление влияния природно-климатических факторов на форми рование лесных сообществ таежной зоны;
- влияние природно-климатических явлений на уровень загрязне ния атмосферы в районе действия промышленных предприятий;
- исследование влияния загрязнения атмосферы на радиальный прирост хвойных древостоев Приангарья;
- выявление зависимости климатических и антропогенных факто ров на возникновение лесных пожаров.
Научная новизна работы. Выявлен характер воздействия природно климатических явлений на состав и возрастную структуру лесных фито ценозов Приангарья. Математически доказана стабильная величина фи зиологически активной радиации (ФАР), влияющая на постоянство видо вого состава лесных фитоценозов. Разработаны математические модели переноса загрязняющих веществ в виде аэрозолей в условиях Братско Усть-Илимского промышленного узла и влияния природно климатических и антропогенных факторов на радиальный прирост сосны и лиственницы. Определены природно-пространственные закономерности горимости лесов на территории региона.
Положения, выносимые на защиту:
1. Оценка влияния антропогенных и природно-климатических факто ров на состояние лесных фитоценозов.
2. Математическая модель влияния природно-климатических и ан тропогенных факторов на состояние и радиальный прирост хвойных дре востоев.
3. Математическая модель вероятности возникновения лесных по жаров в пространственно-временном аспекте в условиях Приангарья.
Практическая значимость. Практическая значимость работы со стоит в получении результатов влияния природно-климатических и ан тропогенных факторов на продуктивность и жизнеспособность лесных фитоценозов, которые могут быть использованы при прогнозировании состояния лесного фонда и динамики сукцессионных процессов в лесах Приангарья.
Исследования выполнялись в рамках научного направления Братско го государственного университета: «Мониторинг и управление экологи ческой ситуацией Братско-Усть-Илимского ТПК», по госбюджетной теме:
«Разработка и обоснование технологии лесопользования в зоне Братско Усть-Илимского ТПК», в рамках фундаментальных НИР по единому за каз-наряду Федерального агентства по образованию РФ «Экологический мониторинг и влияние лесопользования на водные ресурсы Приангарья» и «Пространственно-временной характер антропогенной сукцессии лесов бореальной зоны».
Обоснованность выводов и достоверность результатов подтвер ждены многочисленными данными, собранными на постоянных и вре менных пробных площадях, результатами замеров климатических показа телей за длительный период времени и обработанных с использованием методов статистики и математического моделирования.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач иссле дований, выборе методик и проведении экспериментов, обработке и ана лизе экспериментальных данных, обобщении результатов, подготовке выводов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава и аспирантов БрГУ, международной конфе ренции «Актуальные проблемы лесного комплекса » (г. Брянск, 2006, 2007, 2008 г.), всероссийской конференции «Дистанционное зондирова ние поверхности земли и атмосферы» (г. Иркутск, 2003 г.).
Результаты работы экспонировались на выставках-ярмарках “Сибле сопользование – 2003 -2008“ (г. Иркутск).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе одна опубликована в издании, рекомендованном спи ском ВАК.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из вве дения, пяти глав, заключения, списка литературы (135 наименований).
Она изложена на 138 страницах, включая 33 рисунка и 27 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит актуальность, научную новизну, апробацию рабо ты. Поставлены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, обоснована практическая значимость работы.
1. Состояние вопроса. Атмосферные процессы являются важнейшим абиотическим фактором лесных экосистем. Существование лесов зависит не только от средних климатических условий, но и от структуры отдель ных метеорологических величин и вероятности их совместного воздейст вия. [Сукачев, 1972;
Одум, 1986;
Филиппов, 1974;
Ефимова, 1955].
Многочисленными научными исследованиями установлено, что на рост деревьев влияют, как внутренние (биологические свойства), так и факторы внешней среды. [Нащокин, 1963;
Нейштанд, 1957;
Ловелиус, 1979;
Молчанов, 1976;
Ляэнелайд, 1981;
Костин, 1962].
На основании анализа литературных источников по влиянию эколо гических факторов можно установить следующее, что на формирование и развитие лесных фитоценозов и их устойчивость оказывают большое влияние факторов: климатические, радиационные, почвенно географические, гидрологические, антропогенные. Бореальные леса При ангарья являются открытыми термодинамическими системами с неустой чивым равновесием. Любое нарушение равновесия: изменения климата, гидрологических условий, влияние промышленного загрязнения, пожары, вырубки, приводят к сукцессиям и потере устойчивости лесных фитоце нозов.
2. Объем и методы исследований. Основным методом сбора инфор мации о состоянии древесной растительности являлось полевое обследо вание на пробных площадях, которые закладывались по стандартным ме тодикам (ОСТ 56-69-85 «Пробные площади лесоустроительные»). На ка ждой пробной площади производилось лесоводственно-геоботаническое описание, с указанием особенностей древостоя, подроста, подлеска, на почвенного покрова и рельефа.
Измерялись следующие таксационные и биоиндикационные показа тели: высота, диаметр, возраст деревьев, возраст и длина хвои, ее состоя ние, а также устанавливались класс дефолиации и балл категории состоя ния согласно «Санитарным правилам в лесах РФ». Для определения ради ального прироста были взяты образцы древесины с помощью возрастного бурава на высоте груди (1,3 м).
Сведения о радиационном балансе исследуемой территории, много летние данные температурного режима, а также данные о химическом анализе проб атмосферного воздуха на содержание сернистого газа, оки слов азота, аммиака, хлора, фтора брались по данным метеостанции г.
Братска. Экспериментальные данные обработаны статистически. Приме нялись методы математического моделирования с использованием ком пьютерных программ, законов теории вероятностей и теорий множеств.
Для более детального и глубокого изучения процессов влияния эко логических факторов на состояние лесных фитоценозов были заложены 17 постоянных пробных площадей и 19 временных. Визуально обследова но более 250 тыс. гектаров леса. Определено состояние основных лесооб разующих пород в зонах антропогенного загрязнения в районе промыш ленного узла города Братска. Проведены дендрохронологические иссле дования, для чего было обработано 68 кернов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и лиственницы сибирской (Larix sibirica Ldb.) различных ка тегорий состояния.
На рисунке 1 приведен алгоритм исследования.
Влияние экологических факторов на формиро вание лесных фитоценозов Приангарья Изучение ха Изучение природно- Изучение влияния при рактера антро климатических условий родно-климатических погенных сук развития лесных форма- факторов на распро цессий ций странение техногенного загрязнения Влияние ФАР на Опреде- Влияние видовой состав лес- ление антро Характе- Влияние ных фитоценозов вероят- поген ристика антропо- ности ных загряз- генных числа факто няющих факторов лесных ров веществ и на прирост пожаров (осво уровень их древостоев по ГИС- енность концен- инфор- терри трации мации тории) на веро ятность возник новения пожаров 3. Характеристика объекта исследования. Характер формирования лесной растительности зависит от почвенных и климатических факторов.
Преобладающим типом почв Иркутской области являются дерново подзолистые и дерновые лесные железистые почвы. Наибольшие про странства региона (27,3%) заняты дерново-подзолистыми и дерново карбонатными почвами.
Практически во всех пунктах региона характер годового хода скоро сти ветра одинаков: максимумы наблюдаются весной (чаще всего в апре ле) и осенью – в октябре-ноябре. Средние скорости обычно составляют 2 4 м/с. Минимумы в годовом ходе скорости ветра отмечаются зимой (ян варь-февраль) и летом (июль), когда средние скорости равны 0,7-1,5 м/с.
Ветер со скоростью более 15 м/с принято считать сильным. Повторяе мость таких значений очень невелика и изменяется в течение года. Обыч но число дней с сильным ветром составляет 0,1-0,4 в январе и 0,5-3 в ап реле.
За последние десятилетия в результате хозяйственного использования лесов, воздействия пожаров и биотических факторов лесной покров При ангарья претерпел значительную антропогенную трансформацию. В ре зультате техногенного загрязнения лесных территорий изменяются эколо гические условия роста лесных фитоценозов.
4. Пространственная и временная динамика лесных экосистем Приангарья. Возрастная структура лесного фитоценоза является индика тором происходящих в нем процессов – реакции на изменения внешней среды. На основании многолетних данных установлены математические зависимости изменения динамики возрастных групп и основных таксаци онных показателей древостоев основных лесообразующих пород на бли жайшие годы. На рисунках 2,3,4 представлена динамика доли спелых и перестойных насаждений основных лесообразующих пород Иркутской области.
Изменение доли спелых и перестойных насаждений сосны можно описать следующим уравнением:
y = 0,0114x2 - 45,922x + 46234 (1) R2 = 0, где у – процент спелых и перестойных насаждений сосны от покры той лесом площади;
х – годы;
R2 - величина достоверности аппроксима ции.
% 1940 1960 1980 2000 годы Рисунок 2 - Динамика доли спелых и перестойных насаждений сосны % 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 годы Рисунок 3 - Динамика доли спелых и перестойных насаждений лиственницы Изменение доли спелых и перестойных насаждений лиственницы можно описать следующим уравнением:
y = -0,0063x2 + 24,795x – 24200 (2) R2 = 0, где у – процент спелых и перестойных насаждений лиственницы от покрытой лесом площади;
х – годы;
R2 - величина достоверности аппрок симации.
Береза Осина % 0 годы 1940 1960 1980 2000 Рисунок 4 - Динамика доли спелых и перестойных лиственных пород Изменение доли спелых и перестойных насаждений березы и осины можно описать следующими уравнениями:
Для березы:
y = -0,0033x2 +13,301x – 13198 (3) R2 = 0, где у – процент спелых и перестойных насаждений березы от покры той лесом площади;
х – годы;
R2 - величина достоверности аппроксима ции y = -0,0085x2 +33,508x – Для осины: (4) R2 = 0, где у – процент спелых и перестойных насаждений осины от покры той лесом площади;
х – годы;
R2 - величина достоверности аппроксима ции.
Наблюдается неуклонное сокращение спелых и перестойных лесов среди хвойных формаций, кроме пихтарников. Доля древостоев, достиг ших возраста спелости, среди пихтарников, березняков и осинников отли чается относительной стабильностью.
На основании анализа многолетних данных состояния лесных фито ценозов Приангарья можно делать выводы об относительной стабильно сти породного состава и возрастной структуры лесов. Однако в последние десятилетия прослеживается тенденция замены хвойных пород листвен ными, некоторые изменения возрастной структуры. Получены математи ческие модели, прогнозирующие качественные и количественные показа тели лесов Приангарья: процент от покрытой лесом площади, средний запас на 1 га, класс возраста, бонитет, средняя полнота.
5. Влияние природно-климатических и антропогенных факторов на лесную растительность Приангарья. Для оценки радиационного режима на развитие лесных фитоценозов Приангарья получены многолет ние экспериментальные данные по Иркутской области. На основании этих данных произведен регрессионный анализ связи суммарной солнечной радиации ( Q ) с широтой места ( ), как главным фактором природной зональности. Для каждого месяца и за год получены следующие уравне ния регрессии и коэффициенты корреляции ( r ). Зависимость между ко личеством годовой солнечной радиации и широтой местности можно вы разить следующим уравнением:
r = -0, Q 10633, 6 119, 2 МДж/м Погрешность расчета по этим уравнениям регрессии не превышает 2-8%. Объективность регрессионного анализа подтверждается коэффици ентами корреляции. Это означает, что фактор широтной зональности яв ляется основным. Вклад широты в пространственную изменчивость сум марной радиации составляет 75-98%. Характерным для зимнего сезона является меридиональное направление воздушных масс, что позволяет лучше проявиться фактору зональности. Два экспериментальных массива – при безоблачном небе и при действительных условиях облачности – позволяют оценить влияние погодных факторов на количество фотосин тетически активной радиации (ФАР) по сравнению с радиацией, форми рующейся только за счет поглощения и рассеяния в безоблачной атмо сфере. Месячные и годовые суммы фотосинтетически активной солнеч ной радиации (Ф) изменяются по широте в соответствии со следующими полученными уравнениями регрессии:
Радиация при ясном небе r = -0, Год 5872 57, При действительных условиях облачности r = -0, Год 5034,3 54, Главным фактором пространственного распределения ФАР, как и суммарной радиации, является широтная зональность. За исключением июля, когда фактор зональности сильно искажается аэросиноптическими условиями, коэффициенты корреляции ФАР с широтой очень велики и колеблются в пределах 0,80-0,99, что означает, что вклад географической широты в пространственную дисперсию составляет 65-95%, т.е. является определяющим. По всей территории региона годовая сумма ФАР меняет ся от 1825 МДж/м2 до 2025 МДж/м2, т.е. примерно на 10%. Впрочем с та кой стабильностью ФАР, связано относительное постоянство видового состава лесного сообщества таежной зоны. Статистически обработаны и проанализированы данные по количеству атмосферных осадков, годовым колебаниям температуры воздуха и почвы.
Основными источниками загрязнения воздуха в Братском районе яв ляются Братский алюминиевый завод, Братский лесопромышленный ком плекс.
В зависимости от степени ослабления (усыхания) насаждений, на всей обследованной наземной площади выделены три условные зоны влияния промышленных выбросов: первая зона - зона сильного загрязнения, в ко торую вошли в основном усыхающие и погибшие насаждения (в основ ном перестойные древостой);
вторая зона - зона среднего загрязнения промышленных выбросов, в которую входят сильно ослабленные насаж дения;
третья зона - зона слабого загрязнения промышленных выбросов, которая включает в себя как ослабленные, так и здоровые насаждения с признаками влияния промышленных выбросов. Третья зона не имеет чет ко выраженной внешней границы.
В каждой из этих зон были заложены постоянные и временные проб ные площади с целью оценки состояния лесных экосистем, подверженных воздействию промышленного загрязнения.
Обработка экспериментальных данных позволила сделать некоторые выводы (рисунок 5 и уравнение 5).
Изменение среднего балла категории состояния можно описать сле дующим уравнением:
y = 0,0137x2 – 0,3583x + 4,1182 (5) R2 = 0, где у – средний балл категории состояния;
х – расстояние от источни ка выбросов;
R2 - величина достоверности аппроксимации.
средний балл категории состояния 4, 3, 2, 1, 0, 9 км 10 км 13 км 16 км 18 км 20 км 22 км 23 км 24 км 25 км 26 км 27 км расстояние от источника выбросов Рисунок 5 – Зависимость среднего балла категории состояния насаждений на постоянных пробных площадях от расстояния от источника выбросов Как видно из уравнения 5 существует достаточно тесная зависимость между расстоянием от источника выбросов (в данном случае алюминие вый завод) и состоянием древостоя. Чем ближе к источнику выбросов, тем более ослабленными являются древостои. Даже на расстоянии более км от алюминиевого завода чувствуется ослабление и угнетение отдель ных деревьев хвойных пород.
На временных пробных площадях изучалась зависимость процента сухостойных деревьев от источника выбросов и от возраста древостоя.
Наиболее тесная зависимость прослеживается между расстоянием и про центом сухостойных деревьев, т.е. вблизи предприятия сконцентрированы от 20 до 30 % сухостойных деревьев. На расстоянии более 20 км от завода процент сухостойных деревьев снижается до 3-5 % от общего запаса на саждения. Эта зависимость отражена на рисунке 6 и в уравнении 6.
процент сухостойных деревьев расстояние от источника выбросов, км Рисунок 6 - Зависимость процента сухостойных деревьев на временных пробных площадях от расстояния от источника выбросов Изменение процента сухостойных деревьев можно описать следую щим уравнением:
y = 0,062x2 – 2,8181x + 32,546 (6) R2 = 0, где у – процент сухостойных деревьев от общего запаса насаждения;
х – расстояние от источника выбросов;
R2 - величина достоверности ап проксимации.
Комплексной характеристикой загрязнения воздуха служит «индекс загрязнения» атмосферы (ИЗА), определяемый в соответствии с методикой (РД 52.04 186 -89):
, (7) ( q i / ПДК ИЗА i)C i где qi и ПДК i, - концентрации для ПДК i-ой примеси, а C i класс ее опасности.
На рис. 7 приводится годовой ход индекса загрязнения для 11 ан тропогенных примесей воздуха в г. Братске. Как видно из графика, ИЗА меняется в течение года по своему закону, несколько похожему на изме нение пыли и аэрозолей.
И ЗА 12 мес яцы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Рисунок 7 - Годовой ход индекса загрязнения атмосферы в Братске Интегральный индекс загрязнения атмосферы также изменяется в течение года, в наибольшей мере повторяя ход аэрозолей.
В заключение анализа сезонных изменений атмосферных приме сей можно подчеркнуть, что в относительной мере амплитуды внутри годовых вариаций невелики и составляют в среднем около 30 мг/м3.
Объективная оценка степени техногенного воздействия должна ба зироваться на расчете диффузионного переноса атмосферных примесей от их источников. В зависимости от целей, перенос примесей рассчиты вается с той или иной степенью детализации решений уравнения турбу лентной диффузии. Для районирования лесных массивов большой площа ди, нет необходимости в детальных расчетах, а достаточно получить усред ненное пространственное распределение средних за год или сезон кон центраций примесей.
Простым и физически наглядным для такой цели является метод Лайхтмана Д.Л., основанный на аналитическом решении уравнения диффузии и учитывающий пульсации направления ветра.
Воспользуемся для расчета уравнением диффузии сферически симметричного источника:
2 ( gr ) ( gr ), (8) D r t где r - расстояние от источника, D - коэффициент диффузии.
Решение уравнения (1) для непрерывного источника постоянной мощно сти (М) имеет вид:
, (9) M g (r ) r 4 Dr 1 erf 2 Dt в установившемся режиме (t ) :
, M (10) g (r ) 4 Dr Таким образом, разовая концентрация уменьшается пропорционально расстоянию в первой степени.
Применяя решение, полученное Лайхтманом к инверсионным усло виям в Сибири, без учета поглощения примесей земной поверхностью, концентрация примеси убывает пропорционально расстоянию. Если же учесть поглощение примесей на земной поверхности (это типично для леса), то показатель степени будет равен 2. Отсюда решение (3) можно заменить равенством:
M, (11) g ( x) 4 Dx которое использовалось при расчетах.
Объемная концентрация резко убывает с расстоянием и, например, в Братске на расстояниях 2, 10, 40 и 60 км от источника выбросов годовая концентрация которых равна 118 тыс.т/га буде составлять соответственно следующие значения: 9250 10 3 мг/м3, 370 10 3 мг/м3, 23 10 3 мг/м3 и мг/м3 (рисунок 8).
10 Аналогичные расчеты по примененной методике можно выполнить отдельно для сезонов или месяцев вегетационного периода. Несмотря на усредненный характер расчетов, полученные концентрации соответству ют наблюдаемым значениям. Так, в Братске измеряемые общие концен трации составляют 1-1,2 мг/м3;
такая же цифра получена в расчете для ближайших окрестностей города согласно уравнению 11.
Рисунок 8 - Распределение средней годовой концентрации атмосфер ных примесей, выбрасываемых промышленными предприятиями и транс портом города Братска и Усть-Илимска. (Цифры у изолиний – 10-3 мг/м3).
Исходя из рисунка 8 и уравнения (11) можно сделать вывод, что по лученные изолинии четко совпадают с зонированием, полученным по ма териалам пробных площадей. Первая зона – зона сильного загрязнения совпадает с изолинией от 1000 10 3 до 20 10 3 мг/м3 (для города Брат ска), вторая зона – зона среднего загрязнения совпадает с изолинией от до 5 10 3 мг/м3, а третья зона находится за границей изоли 20 нии 5 10 3 мг/м3.
Для получения более достоверных результатов по влиянию техно генного загрязнения на радиальный прирост применялся метод дендро хронологических исследований. Анализируя данные абсолютных значе ний радиального прироста можно заметить определенные закономерности в изменении этих величин. Так радиальный прирост после 50-60-х годов снижается у всех категорий деревьев. Это связано со временем пуска ос новных предприятий в городе Братске (алюминиевый завод и лесопро мышленный комплекс). Анализ изменений прироста годичных слоев в зонах сильного и среднего загрязнения по трем категориям жизненного состояния - здоровые, угнетенные и сухостойные - показывает, что совме стные колебания происходят почти синхронно.
Для обоснования использования средних обобщенных хронологий со сны и лиственницы при анализе связи радиального прироста рассматри ваемых деревьев с климатическими компонентами представим коэффици енты корреляции данных хронологий с серией колец каждого отдельного дерева (таблица 1).
Таблица 1 - Коэффициенты корреляции между средними обобщенными хронологиями колец сосны и лиственницы и сериями колец каждого отдельного дерева 10С.У 11С.З 5Л.З.
8С.У 9Л.У 2С.С 1С.С 1С.З 4С.З 5С.З 2Л.З 1Л.З 4Л. Средн. со 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, сны Средн.
листв.
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, На рисунке 9 показана динамика среднего годового радиального при роста сосны и лиственницы, и многолетний ход повторяемости западной и восточной формы циркуляции.
Из рисунка видно, что три кривые имеют приблизительно одинако вый ход и тренд: кривые приростов сосны и лиственницы, а также кривая хода повторяемости западной формы циркуляции.
Если же принять в расчет не только гидротермические факторы, но и радиационные, а также гелиофизические факторы, то множественный ко эффициент корреляции вырастает до 0,72 (для сосны) и 0,78 (для листвен ницы). В исследуемом районе не существует фактора, единолично лими тирующего прирост хвойных деревьев. Все представленные выше геофи зические факторы имеют большое значение в приросте исследуемых де ревьев.
Рассматривалась связь ширины радиальных колец со среднемесяч ной температурой воздуха января и июля (Т I и ТVII), среднегодовой ам плитудой температуры воздуха (Ат), среднемесячными суммами осадков мая (RV), июля (RVII), ноября (RXI), числом гроз, с годовой суммой осад ков, прямой (S) и рассеянной (Q) солнечной радиацией на метеостанции Братск, с повторяемостью форм циркуляции (западной - W, восточной E, и меридиональной - C) и с числами Вольфа (W/), показывающими сол нечную активность.
30 0 1, 1, 25 1, 20 число случаев 15 0 0, 0, 10 0, 0, 0 1 900 1 91 0 192 0 193 0 194 0 19 50 19 60 19 70 1 980 1 990 2 00 год ы западная циркуляция во сто чная цирку ляция приро ст, мм (сосна) прирост, мм (лиственница) Рисунок 9 - Динамика годового радиального прироста (мм) сосны и лиственницы (1900-2005 гг.) и повторяемость западной и восточной формы циркуляции воздушных масс Представляет интерес, построенная регрессионная модель зависимо сти прироста сосны и лиственницы от различных метеорологических фак торов. Для построения этой модели использовался пакет статистических программ STADIA. Приведем некоторые из уравнений многомерной рег рессии:
1. Средний прирост лиственницы - Z R Z 0, 41 0, 02 T 1 0, 03 T VII 0, 01 A T 0, 01 R XI 0, 005 R V 0, 004 R VII R 2. Средний прирост сосны – Z R Z 0, 04 0, 05 T 1 0, 06 T VII 0, 02 A T 0, 01 R XI 0, 05 R V 0, 04 R VII R 3. Прирост сосны угнетенной – Z R Z 0, 65 0, 03 T 1 0, 03 T VII 0, 02 A T 0, 01 R XI 0, 001 R V 0, 002 R VII R 4. Прирост сосны здоровой – Z R Z 1,15 0,14 T 1 0,12 T VII 0,1 A T 0, 02 R XI 0, 011 R V 0, 001 R VII R 5. Прирост лиственницы здоровой – Z R Z 1,18 0, 005 T 1 0, 03 T VII 0, 02 A T 0, 01 R 0, 004 R V 0, 005 R VII R5 XI Регрессионная модель радиального прироста представляет наиболь ший интерес для диагноза многолетних колебаний радиального прироста хвойных деревьев лесного фитоценоза. В прогностических целях исполь зовать такую модель затруднительно в связи с большими трудностями прогноза гидрометеорологических факторов. Регрессионный анализ, ха рактеризует естественные вариации продуктивности фитоценоза.
6. Прогнозирование горимости лесов Приангарья как антропо генного фактора формирования лесных фитоценозов. В качестве экс перимента по изучению пространственно-временной структуры лесных пожаров в Иркутской области использовались данные спутникового мо ниторинга ЦКМ ИСЗФ СО РАН за 1998 - 2006 годы. Вся территория была разделена на 100 квадратных участков размером 50х50 км. В каждой клетке подсчитывалось число пожаров за декаду. В качестве примера приведена часть карты Иркутской области (Братский район) по распреде лению числа пожаров (рисунок 10). Карта демонстрирует преобладание антропогенного фактора в возгорании леса: наибольшее число пожаров отмечалось вблизи городов и поселков. По этой же причине с удалением от Восточно-Сибирской железнодорожной магистрали число пожаров уменьшается. Число пожаров распределено по территории (по узлам регу лярной сетки) крайне неравномерно. Кривая статистического распределе ния декадных сумм пожаров (число пикселов в клетке) характеризуется максимальной вероятностью (32% от общего числа случаев за два года) при 1 случае пожара. Два пожара наблюдались в 20 % случаев, три пожа ра - в 10 % случаев (Рисунок 11). Кривая статистического распределения, как это видно из рисунка, характеризуется резким уменьшением вероят ности до значений 4-6 случаев пожара, а затем медленным уменьшением вероятности до 20-24 пожаров в одной клетке.
Рисунок 11 - Количество пожаров по Братскому району Иркутской области за 1998-2006 гг.
вероятность 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 число пожаров в квадрате 50х50 км Рисунок 12 – Распределение вероятности числа лесных пожаров в Братском районе в 1998-2006 годах На основании данных получена регрессионная модель вероятности появления пожаров в Братском районе.
y = 0,1565x2 – 4,1367x + 26,006 (12) R2 = 0, где у – вероятность возникновения пожаров %;
х – число пожаров в квадрате 50х50 км;
R2 - величина достоверности аппроксимации.
Функция распределения вероятностей позволяет определить среднее значение числа пожаров их теоремы о среднем:
(13) x f (x) i i _ i X f (x) i i Расчет показал, что среднее число пожаров в одной клетке равно в пересчете на единицу площади соответствует 0,0022 пожара/км2 год. По большому статистическому массиву данных лесхозов в 1999 году на тер ритории Иркутской области наблюдалось 24 пожара на миллион гектаров леса или 0,0024 пожара/км2. Столь точное совпадение величин, получен ных принципиально различными способами, может оказаться случайным, однако дает основания считать метод космического мониторинга пожаров вполне сопоставимым с прямыми наземными и самолетными наблюде ниями.
Представляет интерес суммарная вероятность появления числа пожа ров в квадратах 50х50 км. Такая интегральная кривая вероятности показа на на рисунке 13.
Интегральная вероятность появления пожаров (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 число пожаров Рисунок 13 – Интегральная вероятность появления лесных пожаров Математическое выражение интегральной вероятности появления лесных пожаров для Иркутской области представлено уравнением:
y = 61,808е-0,1187х (14) R2 = 0, где у – интегральная вероятность возникновения пожаров, %;
х – чис ло пожаров в квадрате 50х50 км;
R2 - величина достоверности аппрокси мации Из рисунка, в частности, следует, что в исследуемом регионе 50% случаев возгорания леса соответствует более 2-3 пожара в одной клетке, а свыше 6 пожаров наблюдается в 25 % случаев.
Относительно плавные кривые дифференциального и интегрального распределения свидетельствуют о наличии общих природных пространст венных закономерностей горимости леса на территории региона.
Антропогенные факторы, выступают как источники возгорания, а развитие пожаров в пространстве и времени, на наш взгляд зависят в большей мере от состава пород, рельефа, ветра, температуры и влажности, подстилки и древостоя. Определяющая роль естественного фактора хо рошо иллюстрируется сезонным ходом числа пожаров (рисунок 14).
Из графика видно, что пик активности возгорания приходится на ко нец апреля – май и плавно снижается практически до нуля в сентябре.
y = -3,9286x2 + 25,249x - 12,12 (15) R2 = 0, где у – суммарное число пожаров;
х – порядковый номер месяца в го ду;
R2 - величина достоверности аппроксимации.
суммарное за месяц число пожаров -5 апрель май июнь июль август сентябрь месяцы Рисунок 14 – Сезонный ход повторяемости лесных пожаров Основные выводы. На основании проведенных исследований мож но сделать основные выводы:
1. Сумма фотосинтетической активности солнечной радиации (ФАР) в Приангарье отличается высокой стабильностью и составляет 1825- МДж/м2. Главным фактором пространственного распределения ФАР яв ляется широтная зональность. Стабильность ФАР обеспечивает относи тельное постоянство видового состава лесных сообществ таежных лесов.
2. Выявлена зависимость между расстоянием и процентом сухостой ных деревьев на пробных площадях. Вблизи источника выбросов скон центрированы от 20 до 30 % сухостойных деревьев от общего запаса на саждения. На расстоянии более 20 км от завода процент сухостойных де ревьев снижается до 3-5 %. Менее четкая зависимость проявляется между возрастом и процентом сухостойных деревьев. Наибольший процент су хостойных деревьев приходится на возраст 80-100 лет и возраст более лет.
3. На основе анализа многолетних исследований горимости лесов Ир кутской области, а также данных ГИС-технологий разработаны регресси онные модели вероятности возникновения лесных пожаров в пространст венно-временном аспекте и модели сезонного хода лесных пожаров для условий Приангарья, что позволяет на основании ожидаемых прогнозов снизить экологический ущерб от антропогенных факторов за счет преду предительных лесохозяйственных и противопожарных мероприятий.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ В изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования России 1. Рунова, Е.М. Основные физические и биогеохимические факторы формирования лесных фитоценозов. [Текст] /Е.М. Рунова, Ю.З. Михай лов//Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2006. – № 4. – с. 74-79.
В статьях, материалах конференций и реферируемых изданиях 1. Михайлов, Ю.З. Дистанционное спутниковое зондирование лесных пожаров на территории Усть-Илимского района. [Текст] /Ю.З. Михайлов// Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы. Всерос сийская конференция. Программа и тезисы докладов. - Иркутск: институт солнечно-земной физики СО РАН Байкальская академия образования, 2003. – с. 47.
2. Михайлов, Ю.З. Дистанционное спутниковое зондирование лесных пожаров. [Текст] /Ю.З. Михайлов // Материалы научно-технической кон ференции. – Усть-Илимск: Изд-во БГУЭП, 2004.- с. 84-85.
3. Рунова, Е.М. Особенности возникновения лесных пожаров в Брат ском районе. [Текст] /Е.М. Рунова, Ю.З. Михайлов, М.В. Беженцев // Ес тественные и инженерные науки – развитию рагионов: Материалы межре гиональной научно-технической конференции. – Братск: БрГТУ, 2004. – с. 150-151.
4. Рунова, Е.М. Влияние загрязняющих веществ на природную среду.
[Текст] /Е.М. Рунова, Ю.З. Михайлов// Актуальные проблемы лесного комплекса/под ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 15. – Брянск:
БГИТА, 2006. – с. 120-122.
5. Рунова, Е.М. Возрастная структура лесных фитоценозов Прианга рья. [Текст] /Е.М. Рунова, О.А. Пузанова, Ю.З. Михайлов// Актуальные проблемы лесного комплекса/под ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Вы пуск 17. – Брянск: БГИТА, 2007. – с. 81-84.
6. Вашестюк, Н.И. ГИС-технологии в лесном хозяйстве Иркутской области. [Текст] / Н.И. Вашестюк, Ю.З. Михайлов// Геоинформационные технологии: от теории к практике. Материалы региональной научно практической конференции. - Иркутск: ГИС, 2007. – с. 17-19.
7. Рунова, Е.М. Дистанционный мониторинг при контроле за лесо пользованием. [Текст] / Е.М. Рунова, Ю.З.Михайлов, В.А. Савченкова// Кноцепции развития ЛПК Иркутской области до 2015 года. Материалы научно-практической конференции, проходящей в рамках международной выставки «Сиблесопользование. Деревообработка – 2006». – Иркутск, 2007. – с.70-72.
8. Михайлов, Ю.З. Влияние экологических факторов на пространст венно-временную структуру пожаров и послепожарное формирование насаждения. [Текст] /Ю.З. Михайлов// Актуальные проблемы лесного комплекса/под ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 20. – Брянск:
БГИТА, 2007. – с. 5-7.
9. Михайлов, Ю.З. Влияние антропогенных факторов на лесную рас тительность. [Текст] /Ю.З. Михайлов// Актуальные проблемы лесного комплекса/под ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 21. – Брянск:
БГИТА, 2008. – с. 106-109.
Подписано к печати 12.11.08. Заказ № Объем – усл п.л. 1,25. Тир. 100 экз.
ГОУ ВПО «Братский государственный университет» 665709, г. Братск, ул. Макаренко,