Фитоиндикационно-геоэкологический анализ антропогенной динамики лесного ландшафта

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Фитоиндикационно-геоэкологический анализ антропогенной динамики лесного ландшафта

Гусев, А.П.

Шпилевская, Н.С.

Рассмотрены общая схема и результаты фитоиндикационно-геоэкологического анализа антропогенной динамики геосистем юго-востока Беларуси. Предложен новый методический подход к оценке напряженности геоэкологической ситуации, базирующиеся на изучении процессов деградации и восстановления геосистем. Рассмотрены особенности процессов деградации лесных геосистем, отражающиеся в фитоиндикационных показателях. Динамические тенденции на территории модельного района были оценены по особенностям потенциально возможного протекания восстановительных сукцессий. В качестве критерия оценки использовано площадное соотношение геосистем с дигрессивной динамикой; геосистем, в которых восстановительная сукцессия задерживается на тех или иных стадиях; геосистем с нормальным режимом протекания сукцессий.

антропогенный лесной ландшафт фитоиндикационный

В целях совершенствования системы геоэкологической оценки на основе исследований, проведенных в 1998-2009 гг., нами разработан фитоиндикационно-геоэкологический анализ (ФГА) динамики геосистем - методологическая концепция геоэкологических исследований динамики геосистем с использованием фитоиндикационных критериев. Суть ФГА - изучение пространственно-временных изменений геоэкологического состояния геосистем (геоэкологических ситуаций), отражающихся в комплексе показателей растительного покрова. Объектом ФГА выступают природные и природно-антропогенные геосистемы локального уровня. Предмет ФГА - динамика геосистем и связанные с ней изменения их геоэкологических характеристик (средо- и ресурсовоспроизводящих свойств, продуктивности, биоразнообразия, экологического равновесия), диагностируемые по фитоиндикаторам.

ФГА территории реализован как алгоритм методических разработок, представляющих следующие этапы:

1. Изучение природно-ландшафтной дифференциации территории; привязка к существующим схемам природно-ландшафтного районирования и классификации. Выяснение системы местоположений (на основе топографических карт масштаба 1:10000, 1:100000; полевых наблюдений).

2. Разработка модели сукцессионного комплекса как системы автогенных сукцессионных рядов, привязанных к типам местоположений. Выяснение основных характеристик сукцессионных процессов (на основе маршрутных наблюдений и исследований на постоянных пробных площадках).

3. Изучение современного использования земель. Инвентаризация видов землепользования и определение ареалов их распространения (на основе топографических карт, космоснимков, полевых наблюдений). Оценка антропогенной нагрузки. Выявление негативных природно-антропогенных процессов, определение их ареалов (по фитоиндикаторам в качестве которых выступают растительные сообщества и их характеристики). Оценка загрязнения компонентов геосистем (по литературным и фондовым источникам, а также по фитоиндикаторам). Выявление зон деградации растительного покрова, вызванной загрязнением.

4. Выяснение влияние антропогенной нагрузки и трансформации геосистем на сукцессионные процессы. Сравнение восстановительных сукцессий в геосистемах, имеющих различный уровень антропогенной трансформации. Определение современного сукцессионного статуса геосистем территории (сукцессионный статус геосистемы скоррелирован с ее средообразующими и средозащитными свойствами, продуктивностью, биоразнообразием). Оценка потенциала самовосстановления геосистем.

5. Оценка напряженности современной геоэкологической ситуации по соотношению процессов восстановления и деградации геосистем, с учетом загрязнения их компонентов. Анализ и оценка современных динамических тенденций.

Исследования проводились на территории модельного района, расположенного на юго-востоке Беларуси. Модельный район представляет собой территорию, обособленную долинами малых рек: Рандовка (с севера); Уза (с запада); Мильчанская канава (с востока и юго-востока). Общая площадь района составляет 72,3 км2. Структура землепользования характеризуется преобладанием лесных геосистем - 43,9%. Луга, пастбища, сенокосы составляют 24,1%. Пахотные земли - 19,5%. На долю нарушенных и застроенных земель приходится 10,2% территории. Промышленно-техногенная нагрузка на геосистемы района связана с Гомельским химическим заводом, Гомельским радиозаводом, городской свалкой твердых бытовых отходов, полями фильтрации и рядом других техногенных объектов. Природно-ландшафтная основа представлена аллювиальным террасированным ландшафтом (53,7% территории); моренно-зандровым ландшафтом (42,0%) и пойменным ландшафтом (4,3%) (согласно классификации природных ландшафтов Беларуси [3]).

В пределах модельного района были выделены 7 участков, отличающиеся природными условиями, величиной антропогенной нагрузки и спецификой хозяйственного освоения: I - северный участок (моренно-зандровая равнина, с покровом лессовидных суглинков; доминирует сельскохозяйственная нагрузка); II - северо-западный участок (2-я надпойменная терраса; доминирует сельскохозяйственная нагрузка); III - северо-восточный участок (экотон моренно-зандрового и аллювиального террасированного ландшафта; доминирует промышленно-техногенный тип нагрузки); IV - центральный участок (2-я надпойменная терраса; преобладают лесные геосистемы); V - юго-западный участок (1-я надпойменная терраса; преобладают лесные геосистемы); VII - юго-восточный участок (1-я надпойменная терраса, захватывает западную окраину города Гомеля; доминирует нагрузка, связанная с городской застройкой и рекреацией); VIII - южный участок (1-я надпойменная терраса; характерна многофакторная антропогенная нагрузка - сельскохозяйственная деятельность, складирование отходов).

Полевые работы выполнялись на ключевых участках и включали: геоботаническую съемку по общепринятой методике [4] (2-5 пробных площадок размером 100-200 м2 на ключевом участке); определение характеристик модельных деревьев (не менее 20 штук на ключевом участке); определение показателей антропогенного воздействия; выяснение природно-ландшафтных условий (тип почв, состав почвообразующих пород, глубина залегания грунтовых вод, проявления современных геологических процессов). Общее количество ключевых участков - 220, из них в лесных геосистемах - 102 ключевых участка.

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; время появления деревьев (год с начала сукцессии) и другие. Для оценки состояния растительного покрова и сукцессионного статуса геосистем также использовались: 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 [6] (% от общего числа видов); представленность видов класса Vaccinio-Piceetea (бореальные хвойные 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). Оценка адвентизации растительности выполнялась по критериям: 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. Оценка состояния древостоя (насаждения) на ключевом участке выполнялась путем расчета индекса состояния древостоя по формуле: Ln= (100n1+70n2+40n3+5n4)/N, где n1 - количество здоровых деревьев; n2 - количество ослабленных деревьев; n3 - количество сильно ослабленных деревьев; n4 - количество усыхающих деревьев; N - общее количество деревьев (включая сухостой) [5].

Для напряженности геоэкологической ситуации использовались: коэффициент пораженности территории современными геологическими процессами - ПТсгп=(Sсгп/S)*100%, где Sсгп - площадь распространения современных геологических процессов; S - общая площадь; коэффициент пораженности территории дигрессиями растительности - ПТдр=(Sдр/S)*100%, где Sдр - площадь территории, на которой отмечаются дигрессивная динамика растительности (антропогенных модификаций лесных геосистем, связанных с рекреацией, загрязнением атмосферы, пожарами, подтоплением); S - общая площадь; ПТкз. - удельная площадь территории с катастрофическим уровнем загрязнения почв и вод (уровень загрязнения, при котором существование высшей растительности не возможно); коэффициент экологической стабильности: Кс=Уsi*ki*g, где si - удельная площадь вида землепользования; ki - экологическая значимость этого вида землепользования; g - коэффициент устойчивости рельефа [1]; SПСВ=0 - удельная площадь участков с «нулевым» потенциалом самовосстановления (здания, асфальтовые покрытия, токсичные грунты). Для уточнения генезиса дигрессивных изменений растительности и последующей оценки геоэкологической ситуации использовались данные по загрязнению компонентов геосистем, взятые из опубликованных и фондовых источников. Градации оценочных показателей, приводятся в табл. 1.

Таблица 1. Критерии оценки напряженности геоэкологической ситуации

Напряженность геоэкологической ситуации: 1 - очень низкая (нормальная); 2 - низкая (удовлетворительная); 3 - средняя (критическая); 4 - сильная (кризисная); 5 - очень сильная (катастрофическая).

Индекс напряженности ситуации рассчитывается по формуле: Нгэс=УНi/n, где Нi - напряженность по i-му показателю, балл; n - число используемых показателей. Напряженность геоэкологической ситуации модельного района (геосистемы более высокого ранга) оценивается на основе анализа составляющих его участков. Предлагаются следующие градации Нгэс: 1,0-1,50 - очень низкая (нормальная ситуация); 1,51-2,50 - низкая (удовлетворительная ситуация); 2,51-3,50 - средняя (критическая ситуация); 3,51-4,50 - сильная (кризисная ситуация); 4,51-5,00 - очень сильная (катастрофическая ситуация).

Основной картографический материал, отражающий результаты ФГА, представлялся в виде набора карт, выполненных с помощью программного пакета ArcView 3.2а: природно-ландшафтной основы, структуры землепользования; размещения ключевых участков; негативных природно-антропогенных процессов, современных сукцессионных статусов геосистем, средообразующей способности растительного покрова (актуальной), современных динамических тенденций, оценки напряженности геоэкологических ситуаций. Расчет площадных показателей осуществлялся на основе модуля Spatial Analyst 2.0а. Статическая обработка выполнялась с помощью программного пакета STATISTICA 6.0.

Геоэкологическая ситуация зависит от соотношения процессов деградации и восстановления геосистем. Напряженность геоэкологической ситуации возрастает при увеличении глубины и пространственного охвата деградационных процессов, снижении способности геосистем выполнять средо- и ресурсовоспроизводящие функции, сохранять экологическое равновесие, поддерживать биопродуктивность и биоразнообразие.

Спектр процессов деградации геосистем района представлен в табл. 2. Видно, что на наибольшей степени этими процессами поражена территория III участка.

Таблица 2. Негативные природно-антропогенные процессы на территории модельного района

Дигрессия лесной растительности - один из наиболее распространенных негативных процессов на изучаемой территории (3,6% всей территории района и свыше 8% площади лесных геосистем), оказывающий значительное влияние на ее средообразующий потенциал. Дигрессивная динамика обусловлена различными видами антропогенного воздействия: рекреация; воздействие выбросов транспорта и стационарных источников (промышленных предприятий); пирогенное воздействие, подтопление. Наиболее широко распространенным фактором деградации лесных геосистем на территории района исследований являются пожары, возникновение которых тесно связано с деятельность человека. Максимальная степень деградации (вплоть до разрушения древостоя) имеет место при комбинированном воздействии нескольких антропогенных факторов: химическое загрязнение и пожары, рекреация и пожары. Нарушение древесного яруса обуславливает трансформацию видового состава растительности нижних ярусов. При разрушении или повреждении древостоя нижние ярусы «открываются» и нагрузка на них усиливается. Так, в экосистемах с сильно поврежденным и поврежденным древостоем доля лесных видов составляет от 6,3 до 62,5% от общего числа видов (среднее значение - 27,1%); доля синантропных видов от 4,8 до 57,1% (23,9%). В спектре жизненных форм возрастает доля терофитов (с 0,5% в фоновых лесах до 11,4%) и уменьшается доля фанерофитов (50,5% в фоновых лесах до 26,6%). В нарушенные экосистемы вторгаются адвентивные виды, которые практически отсутствуют в фоновых лесах. Доля адвентивных видов может составлять до 30% от общего числа видов и 40% от общего проективного покрытия. В травяном ярусе сосновых лесов с разрушенным и сильно поврежденным древостоем доминируют синантропные и луговые виды - Calamagrostis epigeios (L.) Roth, Chamerion angustifolium (L.) Holub, Tanacetum vulgare L., Chelidonium majus L., Achillea millefolium L., Conyza canadensis (L.) Cronqist, Rumex acetosella L., Daucus carota L., Oenothera biennis L., Dactylis glomerata L. и другие. Из лесных видов присутствуют лишь немногие: Convallaria majalis L., Melampyrum sylvaticum L., Pteridium aquilinum (L.) Kuhn. и некоторые другие. Численность естественного возобновления древесных пород, как правило, не превышает 2-3 тысяч шт./га и представлено Betula pendula Roth., Populus tremula L., реже Pinus silvestris L., Quercus robur L. В лесах, примыкающих к городской застройке, в естественном возобновлении увеличивается доля адвентивных Acer negundo L. и Robinia pseudoacacia L.

Состояние конкретной лесной геосистемы зависит как от локальной нагрузки, так и от состояния окружающих геосистем (табл. 3). Так, состояние древесного яруса (индекс Ln) улучшается по мере роста коэффициента экологической стабильности окружающей геосистемы, величины лесного массива и расстояния до ближайшего источника выбросов. И, наоборот, чем выше площадь геосистем с «нулевым» потенциалом самовосстановления и величина пирогенного воздействие, тем хуже состояние древесного яруса.

Таблица 3. Взаимосвязь показателей деградации лесных экосистем с ландшафтно-экологическими факторами (коэффициент корреляции R Спирмена, р<0,05)

Примечание. * - н.д. - значение коэффициентов корреляции недостоверны (р>0,05). SПСВ=0 - удельная площадь геосистем с «нулевым» потенциалом самовосстановления, % (в скользящем квадрате 1х1 км); Кс - коэффициент экологической стабильности геосистемы (в скользящем квадрате 1х1 км); Sl - площадь лесного массива, в пределах которого размещен ключевой участок; R1 - расстояние до ближайшего источника выбросов, км; R2. - расстояния до ближайшей жилой застройки, км; ПВ - пирогенное воздействие (средняя высота нагара на модельных деревьях, м).

Анализ показал (табл. 4), что в пределах модельного района имеется широкий спектр геоэкологических ситуаций: от нормальной (участки IV и V) до кризисной (участок III). Нормальная ситуация характерна для 43,1%, удовлетворительная - для 4,6%, критическая - для 41,6%, кризисная - для 10,7% площади всего района. Кризисная ситуация на территории участка III обусловлена преобладанием здесь геосистем с низким средообразующим потенциалом (застройка, нарушенные земли), значительной степенью пораженности современными геологическими процессами и дигрессиями растительности, высоким уровнем химического загрязнения (в зоне влияния полигона твердых отходов Гомельского химического завода). В целом для территории модельного района характерна удовлетворительная ситуация.

Таблица 4. Оценка напряженности геоэкологической ситуации на территории модельного района

Динамические тенденции (при условии сохранения современного уровня антропогенной нагрузки) были оценены по особенностям потенциально возможного протекания восстановительных сукцессий. При этом исходили из того, что для природных геосистем угрозу представляет не столько антропогенное уничтожение какой-либо биологической части, сколько разрушение механизма самовосстановления, так как биота и экосистемы способны регенерироваться в ходе сукцессий, пока не нарушены основные связи саморегулирования [2]. Критериями нарушения восстановительных процессов (уровня деградации потенциала самовосстановления) служили: 1) признаки задержки сукцессий на нелесных стадиях - длительный абигенный этап (2-10 и более лет); длительная пионерная стадия (3-10 и более лет); отсутствие или низкая численность естественного возобновления раннесукцессионных деревьев; низкое проективное покрытие травянистой растительности; 2) признаки задержки сукцессий на стадии раннесукцессионного леса - отсутствие или низкая численность естественного возобновления позднесукцессионных деревьев; высокая синантропизация травяной, кустарниковой и древесной растительности; низкая представленность видов класса Querco-Fagetea; 3) показатели адвентизации растительности - высокая степень адвентизации естественного возобновления деревьев и кустарников на нелесных стадиях; высокая степень адвентизации травяной, кустарниковой и древесной растительности на лесных стадиях; наличие естественного возобновления адвентивных деревьев.

Важным критерием оценки динамических тенденций территории является площадное соотношение геосистем с дигрессивной динамикой; геосистем, в которых восстановительная сукцессия задерживается на тех или иных стадиях; геосистем с нормальным режимом протекания сукцессий (табл. 5).

Таблица 5. Оценка динамических тенденций на территории модельного района

Геосистемы с дигрессивной динамикой имеют широкое распространение на территории VI (на 39,1% площади) и III (19,4%) участков. Задержка сукцессии на той или иной стадии характерна для I (на 97,5% площади), III (80,2%), и VI (60,9%) участков. В нормальном режиме восстановительные сукцессии протекают на территории II (84,1%), IV (87,7%), V (98,3%) и VII (52,8%) участков. Исходя из этого, благоприятные и относительно благоприятные тенденции характерны для участков II, IV, V и VII (напряженность геоэкологической ситуации сохраняется на нынешнем уровне), неблагоприятные - на участках I, III, VI (напряженность геоэкологической ситуации будет возрастать). В результате на территории модельного района в целом напряженность геоэкологической ситуации возрастет.

Таким образом, выполненные исследования показывают, что разработанный фитоиндикационно-геоэкологический анализ позволяет: 1) выявить и установить ареалы распространения негативных природно-антропогенных процессов; 2) на основе экологических критериев выполнить оценку современной геоэкологической ситуации; 3) оценить динамические тенденции, определяющие потенциальные геоэкологические ситуации. Результаты ФГА могут служить основой для прогнозирования динамики геосистем, теоретического обоснования экологических нормативов и путей оптимизации природопользования.

Литература

1. Агроэкология / под ред. В.А. Черникова, А.И. Чекереса. - М.: Колос, 2000. - 536 с.

2. Зональные типы биомов России: Антропогенные нарушения и естественные процессы восстановления экологического потенциала ландшафтов / под ред. К.М. Петрова. - СПб: СПбГУ, 2003. - 246 с.

3. Марцинкевич, Г.И. Ландшафтоведение: учебник. - Минск: БГУ, 2007. - 206 с.

4. Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Соломещ А.И. Современная наука о растительности: Учебник. - М.: Логос, 2002. - 264 с.

5. Пугачевский А.В., Кравчук Л.А., Судник А.В., Моложавский А.А. Методические подходы к оценке и картографированию состояния и устойчивости к антропогенным нагрузками насаждений городов // Природные ресурсы, 2007. - №3. - С. 33-44.

6. Braun-Blanquet J. Pflanzensociologie. - Wien - New York: Springer-Verlag, 1964. - 865 s.

Размещено на Allbest.ru