Моделирование и прогноз техногенных нагрузок на пригородные лесные экосистемы
Грешилова Н.В. (Сибирский федеральный университет, Институт фундаментальной подготовки),
Скрипальщикова Л.Н. (Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, г.Красноярск, РФ)
The digital database was created for changes of each part of stand, and mathematical models were made, which reflected relationship between negative effects of technogenic pollution on morphometric and biometric parameters of needles and leaves on the one hand and afforestation inspection estimate on the other hand. Scenarios of forecasts of possible changes in ecological state of stands in the case of increased and decreased loading on the suburban forests were given.
Развитие информационных технологий позволяет использовать новые способы организации хранения, обработки и представления данных, что определяет их применимость в различных областях науки, в том числе и экологии. Так решаются сложные проблемы, связанные с систематизацией имеющейся информации, комплексным анализом факторов, а также представления материалов в удобной форме. В связи с большим объемом накопленных данных по комплексу лесоэкологических исследований пригородных насаждений г. Красноярска является актуальным использование информационных технологий для их полной экологической оценки.
Цель работы заключалась в создании электронной базы данных экологического состояния сосновых и березовых насаждений и прогнозном моделировании техногенных нагрузок.
База данных, созданная на основе многолетних исследований, проведенных с использованием классических, общепринятых в лесоводстве и экологии методик изучения лесных экосистем, содержит коллекцию электронных документов (табличных, текстовых и графических файлов) и представляет собой совокупность блоков, которые включают следующие характеристики:
1. Интегрированную оценку состояния сосновых и березовых насаждений Красноярской лесостепи;
2. Лесоводственно-таксационные и биометрические характеристики древостоев пробных площадей исследуемых насаждений, в которых содержатся данные о составе, возрасте, средних диаметре и высоте, классе бонитета, полноте, средней длине хвои и площади листовой пластинки;
3. Лесопатологическую оценку березовых и сосновых древостоев, проведенную по методике В.А. Алексеева [1989] и санитарным правилам [1994];
4. Состояние подроста, включающее возраст, диаметр, количество подроста и оценку возобновления;
5. Полное геоботаническое описание и характеристику запасов живого напочвенного покрова по типам леса;
6. Содержание микроэлементов (Pb, Cu, Zn, Co, V, Cr, Ni, Mn, Sr, F) на поверхности хвои и листьев сосновых и березовых насаждений в зоне влияния г. Красноярска, а также количественные характеристики накопления техногенной пыли, общего фтора и серы;
7. Оценку рекреационной дигрессии исследуемых насаждений.
На основе созданной базы данных, путем сравнения многофакторных регрессионных уравнений, получены модели, отражающие влияние химических элементов, входящих в состав промышленных выбросов г. Красноярска, таких, как Pb, Cu, Zn, Co, V, Cr, Ni, Mn, Sr, F, а также серы и техногенной пыли на лесотаксационные характеристики насаждений. Выбор формы регрессионных моделей определялся следующими факторами: критерием Фишера, стандартной ошибкой, анализом остатков, практической применимостью разработанных моделей. В качестве статистически значимых независимых переменных рассматривали накопление микроэлементов, серы и техногенной пыли. Наиболее информативные переменные были определены посредством анализа парных корреляций и проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента. О достаточно хорошей аппроксимации фактических данных уравнением и об отсутствии корреляции остатков можно судить по соотношениям между фактическими и расчетными значениями.
В результате получены уравнения:
F(A, H, D) = G(Cu, Zn, Co, V, Cr, Ni, Sr) и
F(Р, lхв.) = G(Pb, Mn, F),
где А- возраст древостоя, лет; Н - высота, м; D - диаметр, см; Р - полнота; lхв - длина хвои, см; mхв - масса хвои, г.
Коэффициенты множественной детерминации для полученных уравнений составляют 0,59 – 0,78, а ошибки не превышают 20 %.
Уравнения позволяют оценить влияние микроэлементов на длину хвои сосновых древостоев и свидетельствуют, что в изменении длины хвои наиболее выражены составляющие Cu, Cr, Mn, Pb, Co, Sr (рисунок 1). Что подтверждает предположения, высказанные ранее о механизмах поглощения микроэлементов в условиях загрязнения воздуха и почвы (Скрипальщикова, 1997).
Для березовых и сосновых древостоев анализировалась также зависимость накопления техногенной пыли и общего фтора от лесотаксационных характеристик. Полученные уравнения показывают, что приспевающие и спелые насаждения менее устойчивы к загрязнению и могут терять стабильность с повышением уровня загрязнения атмосферы, особенно фтористыми соединениями.
Рисунок 1 - Зависимость длины хвои сосновых древостоев Есаульского бора от содержания в ней Sr и Pb
Полученные зависимости показывают, что техногенные выбросы промышленных предприятий оказывают губительное воздействие на леса зеленой зоны г. Красноярска. Прослеживается четкая динамика содержания микроэлементов в компонентах в зависимости от расстояния до города и розы ветров, что подтверждается, ранее проведенными исследованиями (рисунок 2).
Полученные уравнения многофакторной регрессии могут быть использованы в экспертных прогнозных оценках экологического состояния компонентов сосновых насаждений Красноярской лесостепи, продуцирующих в условиях синергизма техногенного и рекреационного воздействия. Собранный нами экспериментальный и теоретический материал после разработки необходимого программного обеспечения может быть преобразован в автоматизированную информационную систему [Назимова, Кофман, 2006].
Литература
1. Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение.- 1989. -№.4. - С.51-57.
2. Санитарные правила в лесах Российской Федерации; введены 27.01.98. №1458. - М. 1998.
3. Скрипальщикова Л.Н. Пылеулавливающие свойства лесных экосистем в лесостепных районах Средней Сибири. Автореф. дис. … канд. биол. наук. – Красноярск, 1997. - 19 с.
4. Назимова Д.И.,Кофман Г.Б. Описание АИС «Биом» // Биоразнообразие и динамика экосистем: информационные технологии и моделирование. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - С. 157-162.
Рисунок 2 - Карта-схема лесопатологической оценки жизненного состояния и рекреационных нагрузок в сосновых и березовых древостоях, произрастающих в зеленой зоне г. Красноярска