Потенциал самовосстановления геосистем и его оценка на основе фитоиндикации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОТЕНЦИАЛ САМОВОССТАНОВЛЕНИЯ ГЕОСИСТЕМ И ЕГО ОЦЕНКА НА ОСНОВЕ ФИТОИНДИКАЦИИ

А.П. Гусев

In work results of studying regenerative successions of vegetation in the geosystems having a various level of anthropogenous transformation are considered. Diagnostic attributes of degradation of potential of self-restoration are revealed.

Потенциал самовосстановления геосистем - способность геосистем восстанавливать свою структуру, средообразующие и ресурсовоспроизводящие функции после внешнего воздействия. Высокий потенциал самовосстановления обуславливает возможность длительного ведения хозяйственной деятельности и благоприятные условия проживания населения. Понятие потенциала самовосстановления тесно связано с понятием экологического равновесия, сохранение которого является основой для: 1) определенного уровня хозяйства; 2) возможностей развития этого хозяйства; 3) сохранения природной среды для существования людей [1].

Риск нарушения экологического равновесия может быть оценен по степени деградации потенциала самовосстановления геосистем. Снижении потенциала самовосстановления локальных геосистем увеличивает риск нарушения экологического равновесия в геосистемах более высокого ранга. В процессах самовосстановления геосистем важную роль играют сукцессии растительности [2]. Самовосстановление растительности обуславливает восстановление почвенного покрова, микроклимата, водного режима, т.е. других компонентов геосистемы, что обуславливает возможность оценки потенциала самовосстановления геосистем по признакам растительного покрова. геосистема самовосстановление сукцессионный деградация

Целью наших исследований являлось изучение сукцессионных процессов как индикаторов потенциала самовосстановления геосистем (на примере юго-востока Беларуси). Решались следующие задачи: изучение закономерностей восстановительных сукцессий растительности в природных и природно-антропогенных геосистемах юго-востока Беларуси; исследование факторов, влияющих на ход восстановительной сукцессии; выявление отличий сукцессий в сильнонарушенных и малонарушенных геосистемах; определение диагностических признаков деградации потенциала самовосстановления.

Полевые работы по изучению растительности проводились по стандартным методикам - метод пробных площадей, метод экологического профилирования, маршрутный метод. Размер пробных площадок от 25 (начальные стадии) до 400 (лесные стадии) м². Геоботаническое описание различных стадий сукцессий выполнялось в природных и природно-антропогенных геосистемах юго-востока Беларуси (широколиственные, широколиственно-сосновые, сосновые, мелколиственные леса, вырубки, строительные площадки, пустыри, залежи, отвально-карьерные комплексы месторождений полезных ископаемых, полигоны твердых промышленных и бытовых отходов). Получены характеристики растительности на 182 ключевых участках, имеющих различных сукцессионный статус (пионерная стадия - 17,0%; бурьянная стадия - 22,5%; луговая стадия - 15,4%; стадия раннесукцессионного леса - 21,9%; стадия позднесукцессионного леса - 23,2%) и охватывающих временной интервал сукцессий от первых лет до первых сотен лет.

Для изучения сукцессионных процессов применялся комплекс фитоиндикационных методов, включающий эколого-флористический и ценопопуляционный методы индикации. Эколого-флористический метод индикации представляет собой комбинированное использование: а) эколого-флористической классификации растительности Браун-Бланке [3]; б) экологических (фитоиндикационных) шкал [4,5]; в) методик изучения растительного континуума [6]. В его основе лежит исследование видового состава растительности (пробных площадок, синтаксонов, ценоклинов и т.д.), который рассматривается как наиболее надежный и репрезентативный признак растительности, отображающий экологические условия и сукцессионный статус. Ценопопуляционный метод индикации основан на изучении онтогенетических (возрастных) спектров популяций деревьев [7].

Для характеристики антропогенной нарушенности геосистемы, в которой протекает сукцессия, был использован коэффициент экологической стабильности (К_с), определяемый в скользящем квадрате размером 1х1 км (центр квадрата - пробная площадка или группа близкорасположенных пробных площадок). Данный коэффициент рассчитывался по формуле К_с=Уs_i*k_i*g, где s_i - удельная площадь вида землепользования; k_i - экологическая значимость этого вида землепользования (частный коэффициент стабильности); g - коэффициент геолого-геоморфологической устойчивости рельефа [8]. Этот показатель имеет ряд преимуществ: может использоваться в различных природных условиях, при любой степени антропогенной трансформации геосистем, при различных масштабах оценки, учитывает соотношения площадей и значимость типов землепользования, геолого-геоморфологические факторы, достаточно хорошо апробирован при решении широкого круга задач [9].

В качестве критериев оценки потенциала самовосстановления рассматривались показатели автогенных сукцессий растительности: длительность абиогенного этапа (время от момента формирования субстрата до появления пионерных группировок); длительность пионерной стадии, общая длительность нелесных стадий; длительность пионерной стадии; время появления деревьев (год с начала сукцессии) - показатель, характеризующий скорость формирования лесной экосистемы; общее проективное покрытие растительности (%); видовое богатство (число видов на 100 м²); численность естественного возобновления древесных видов (шт./га); доля терофитов в спектре жизненных форм (% от всех видов); доля фанерофитов в спектре жизненных форм (% от всех видов); представленность видов класса Querco-Fagetea (неморальные широколиственные леса) эколого-флористической классификации Браун-Бланке (% от общего числа видов); представленность лесных видов (виды всех лесных классов растительности, % от общего числа видов); синантропизация (доля видов синантропных классов Stellarietea media, Artemisietea vulgaris, Agropyretea repentis и т.д. эколого-флористической классификации Браун-Бланке, % от общего числа видов); запас фитомассы (т/га).

Кроме того, использовались показатели адвентизации растительности (характеризуют степень открытости экосистемы для вторжения чужеродных видов; минимальная открытость, соответственно максимальная замкнутость, наблюдается в климаксовых геосистемах): АД₁ - доля адвентивных видов от общего числа видов флоры (% от числа всех видов); характеризует степень адвентизации флоры; АД₂ - доля адвентивных видов в покрытии (% от общего проективного покрытия); характеризует эколого-ценотическое значение адвентивных видов в растительном покрове; АД₃ - доля адвентивных видов деревьев от общего числа древесных видов; АД₄ - доля адвентивных видов деревьев от общей численности естественного возобновления; характеризует эколого-ценотическое значение адвентивных деревьев, их способность к самовоспроизводству.

Все описания стадий сукцессий (растительные сообщества) на ключевых участках были сгруппированы, в зависимости от нарушенности окружающих геосистем, которая оценивалась по К_с: малонарушенные - К_с>0,66; средненарушенные - К_с=0,33-0,66; сильнонарушенные - К_с<0,33 (градации рекомендованные рядов авторов [8,9]). К_с имеет достоверную корреляцию с лесистостью (коэффициент корреляции Спирмена составил 0,95), распаханностью (-0,38), удельной площадью нарушенных земель (-0,81), средним расстояние до ближайших климаксовых (квазиклимаксовых) экосистем (-0,86) и т.д., поэтому может рассматриваться как показатель, отражающий степень антропогенной трансформации территории.

В малонарушенных геосистемах наблюдается закономерное изменение по градиенту сукцессии рассматриваемых показателей: рост видового богатства, численности естественного возобновления, доли фанерофитов, представленности видов класса Querco-Fagetea, представленности лесных видов, запаса фитомассы, снижение доли терофитов, степени синантропизации, значений всех показателей адвентизации.

Сравнительный анализ малонарушенных и сильнонарушенных геосистем (табл. 1) показывает существенные отличия протекающих в них сукцессий, как на нелесных, так и на лесных стадиях. Так, в сильнонарушенных геосистемах время появления деревьев на градиенте сукцессии увеличивается в 2,1 раза; представленность лесных видов достоверно отличается уже на нелесных стадиях, где она ниже в 8 раз; уровень синантропизации достоверно выше в 1,5 раза, численность естественного возобновления древесных видов существенно ниже- в 9,4 раза, доля терофитов - в 1,9 раза, фанерофитов - в 3,6 раза. Достоверно выше все показатели адвентизации нелесных стадий - неофиты составляют более 20% от всех видов и до 30% от общего проективного покрытия; среди естественного возобновления неофиты составляют более 50% от всех видов и около 70% от общей численности. В малонарушенных геосистемах адвентизация травяного покрова не превышает 10%, а подрост адвентивных деревьев отсутствует полностью; представители климаксовой растительности могут появляться уже на начальных стадиях сукцессии. В тоже время по ряду показателей нелесные стадии в малонарушенных и сильнонарушенных геосистемах достоверно не отличаются (по видовому богатству, общему проективному покрытию, представленности лесных видов).

Выполненный статистический анализ лесных стадий сукцессии показал, что сильнонарушенные геосистемы достоверно отличаются от малонарушенных по всем показателям, кроме общего проективного покрытия. В сильнонарушенных геосистемах представленность видов класса Querco-Fagetea в 4,2 раза, представленность лесных видов - в 4,7 раза ниже, чем в малонарушенных геосистемах. Синантропизация лесной растительности в сильнонарушенных геосистемах составляет 10-70%, тогда как в малонарушенных не превышает 9%. Среднее значение синантропизации в сильнонарушенных геосистемах выше в 48,6 раза. Существенно отличаются спектры жизненных форм: в сильнонарушенных геосистемах доля терофитов возрастает в 10 раз, а доля фанерофитов уменьшается в 1,8 раза. Для сильнонарушенных геосистем характерна низкая численность естественного возобновления древесных видов - менее 1900 шт./га, что в 2,5 раза ниже средних значений этого показателя в малонарушенных геосистемах.

Указанные различия сукцессий в геосистемах, имеющих различный уровень нарушенности, подтверждаются наблюдениями на постоянных пробных площадках за нелесными стадиями (табл. 2).

Особенностью лесных сообществ в сильнонарушенных геосистемах является высокий уровень адвентизации. Так, доля адвентивных видов в составе флоры составляет 13%, доля в общем проективном покрытии - 7,5%. Местами доля адвентивных видов в покрытии может достигать 40%. Еще выше адвентизация естественного возобновления - около трети общей численности приходиться на чужеземные виды деревьев. Анализ онтогенетических спектров древесных видов в сообществах сильнонарушенных геосистем показывает, что практически во всех возрастных группах адвентивные виды занимают лидирующие позиции. Так, в ювенильной группе преобладают Acer negundo L. - 35%, Acer platanoides L. - 32%, Robinia pseudoacacia L. - 5%. В виргильной и имматурной группах: Acer negundo L. - 37%, Robinia pseudoacacia L. - 17%, Acer platanoides L. - 13%. В молодой генеративной группе: Acer negundo L. - 24%, Populus tremula L. - 17%, Robinia pseudoacacia L. - 16%.

В лесных сообществах сильнонарушенных геосистем в большинстве случаев нормальные спектры характерны для адвентивных Acer negundo L. и Robinia pseudoacacia L. Аборигенные эдификаторы (Quercus robur L., Tilia cordata Mill. и т.д.) имеют фрагментарные спектры или отсутствует вообще.

Деградация популяций позднесукцессионных видов-эдификаторов вследствие уничтожения лесных массивов на обширных площадях является основной причиной высокой степени адвентизации лесных экосистем в сильнонарушенных геосистемах.

Признаками нарушения восстановительных процессов (снижения потенциала самовосстановления вплоть для его потери) на локальном уровне являются задержка сукцессии на тех или иных стадиях и рост инвазий адвентивных видов. На основе анализа вышеизложенных результатов изучения сукцессий в геосистемах, различной степени нарушенности, с учетом имеющихся в научной литературе представлений, нами предлагается таблица, в которой сведены все основные диагностические признаки (индикаторы) деградации потенциала самовосстановления растительности, указаны их вероятные причины и последствия (табл. 3).

Таким образом, оценка потенциала самовосстановления геосистем на основе анализа сукцессий показывает, что малонарушенные геосистемы имеют высокий потенциал самовосстановления (близкий к норме): в ходе сукцессии нарушенные экосистемы восстанавливаются до климаксовых (квазиклимаксовых). Сильнонарушенные геосистемы имеют низкий потенциал самовосстановления: восстановительные процессы протекают с существенной задержкой и сукцессия заканчивается на субклимаксовых экосистемах с высокой степенью адвентизации и синантропизации. Соотношение площадей, занятых геосистемами с низким и высоким (нормальным) потенциалом самовосстановления, может быть положено в основу оценки риска нарушения экологического равновесия территории.

Литература

1. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). М., 1994.

2. Зональные типы биомов России: Антропогенные нарушения и естественные процессы восстановления экологического потенциала ландшафтов / Под ред. К.М. Петрова. СПб., 2003.

3. Braun-Blanquet J. Pflanzensociologie. Wien; New York, 1964.

4. Ellenberg H. Zeigerwerte der Gefasspflanzen Mitteleuropas. Gottingen, 1974.

5. Цыганов Д.Н. Фитоиндикация экологических режимов в подзоне хвойно-широколиственных лесов. М., 1983.

6. Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Наука о растительности (история и современное состояние основных концепций). Уфа, 1998.

7. Смирнова О.В. // Лесоведение. 2004. №3. С. 15.

8. Волков С.Н. Землеустройство в условиях земельной реформы (экономика, экология, право). М., 1998.

9. Агроэкология / Под ред. В.А. Черникова, А.И. Чекереса. М., 2000.

Таблица 1

Показатели сукцессии растительности в геосистемах, имеющих различную степень антропогенной нарушенности

Примечание. * достоверное отличие от малонарушенных геосистем (р<0,05).

Таблица 2

Показатели сукцессии растительности на постоянных пробных площадках

Примечание. * - сильнонарушенная геосистема; ** - малонарушенная геосистема.

Таблица 3

Диагностические признаки деградации потенциала самовосстановления геосистем (локальный уровень)

Размещено на Allbest.ru