Зеленые насаждения в мониторинге окружающей среды крупного промышленного города (на примере Красноярска)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Зеленые насаждения в мониторинге окружающей среды крупного промышленного города (на примере Красноярска)

03.00.16 - экология

Авдеева Елена Владимировна

Красноярск - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Научный консультант доктор биологических наук, профессор Валерий Васильевич Кузьмичев

Официальные оппоненты

доктор биологических наук, профессор Людмила Степановна Шугалей

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Роза Михайловна Бабинцева

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Сергей Кимович Фарбер

Ведущая организация ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 220.037.01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного аграрного университета

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.Е. Полонская

Характеристика работы

Актуальность проблемы определяется неблагоприятной экологической ситуацией в крупных промышленных центрах Сибири, сложившейся под воздействием техногенных нагрузок, определяющих модификацию окружающей среды. Это приводит к изменениям свойств отдельных биотических компонентов и в итоге - качества жизни населения. Важным элементом природного каркаса урбоэкосистем и средством улучшения его градостроительных качеств выступает система озеленения. В настоящее время сложившиеся приемы создания системы озеленения города Красноярска и других городов Сибири, ландшафтно-эстетические принципы ее формирования, а также нормативно-техническая база проектирования не обеспечивают комфортность городской среды. Основой разработки направлений и принципов реконструкции системы озеленения должны служить результаты экологических исследований ландшафтных процессов, выявлений основных источников экологических напряжений, изучения интегрированного воздействия техногенных стрессоров.

Создание и сохранение оптимальных условий для проживания человека возможно только при обеспечении необходимого экологического баланса для всех живых организмов и биосферы в целом, в связи с чем оценку качества среды необходимо проводить по реакциям растительных организмов на условия произрастания. Необходимы учет и анализ свойств древесных растений, таких, как устойчивость (способность к саморегуляции), стабильность, способствующая сопротивляемости экосистем различным видам воздействия, динамичность, функциональность, эстетичность, индикаторная способность, которые позволяют оценить состояние экосистемы. Взамен существующей глазомерной оценки зеленых насаждений необходима разработка точных критериев и аналитических методов. Требуется обоснование показателей, позволяющих установить закономерности формирования зеленых насаждений и выполнения экологических функций в процессе их жизнедеятельности, а также степень эмоционального восприятия древесных растений в условиях города и оценки состояния окружающей среды.

Цель - изучение закономерностей развития и индикаторной роли древесных растений, обоснование методов мониторинга и структуры зеленых насаждений, позволяющие повысить уровень экологической комфортности окружающей среды крупного промышленного города.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить соответствие насаждений городских объектов озеленения дендроклиматическим ресурсам, ландшафтным и экологическим особенностям территорий.

2. Исследовать динамику формирования техногенных воздействий и их влияние на микроклиматические условия городской среды, разработать методику и классификацию городских территорий с обоснованием типов градорастительных условий.

3. Выявить особенности роста и реакции отдельных видов древесных растений на техногенные воздействия различного уровня. Обосновать выбор вида древесного растения как индикатора состояния городской среды. Оценить функциональную эффективность зеленых насаждений в урбосреде.

4. Обосновать систему аналитических методов оценки экологического и эстетического состояния древесных растений, позволяющие определить уровень экологической комфортности городских территорий по показателям индивидуального роста дендроиндикатора, разработать методику определения уровня качества объектов озеленения.

Научная новизна

1. Установлено, что в условиях сибирских городов многообразие сочетаний ландшафтных и градостроительных условий, осложненное различными комбинациями техногенных загрязнений, приводит к формированию большого числа локальных условий произрастания, оценить и сгруппировать которые возможно с использованием дендроиндикационных методов.

2. Разработана методика оценки экологического состояния городских территорий и проведена их классификация по типам градорастительных условий.

3. В результате исследований закономерностей роста древесных растений в урбанизированной среде установлено, что реакции древесных растений на стрессовые воздействия имеют видовые особенности, которые проявляются в изменениях формы, размеров, фитонасыщенности крон.

4. Обоснован вид-индикатор для оценки качества городской среды. Установлено, что параметры роста и степень заполнения крон фитомассой лиственницы сибирской отражают уровень стрессовых воздействий и экологического риска территорий.

5. На базе аналитических методов разработана методика оценки экологического и эстетического состояния зеленых насаждений. Основой методики является положение о том, что соответствие основных биометрических параметров древесных растений инвариантам устойчивости отражает уровень экологического состояния территорий.

Защищаемые положения

1. Условия произрастания древесных растений в урбанизированной среде классифицируются как типы градорастительных условий, которые определяются комплексом взаимосвязанных природно-климатических, ценотических, градостроительных и техногенных факторов.

2. Лиственница сибирская, обладая наибольшей пластичностью, отражает стрессовые воздействия городской среды и является эффективным видом-индикатором. Динамика роста деревьев и степень фитонасыщенности крон выступают основными признаками-маркерами уровня экологической комфортности городских территорий.

3. Оценка эстетического и экологического состояния зеленых насаждений более объективно проводится на основе аналитических методов (золотые пропорции, ритм, симметрия, фрактальность). При этом степень соответствия основных параметров древесных растений инвариантам устойчивости может служить как характеристикой их индивидуального роста, так и уровня загрязнения городской среды.

Практическая и социальная значимость работы заключается в том, что:

§ установленные связи параметров экологических ниш древесных растений и дендроклиматических ресурсов среды позволяют использовать в городском зеленом строительстве виды, наиболее приспособленные к местным условиям;

§ методика диагностики градорастительных условий является новым инструментом оценки качества среды и может служить основой мониторинга;

§ методы усиления экологических функций, выполняемых зелеными насаждениями с учетом условий произрастания и плотности их создания, способствуют повышению комфортности городской среды;

§ методика количественной оценки уровня качества объектов озеленения базируется на научно обоснованном подходе к проектированию этих объектов и их реконструкции, выборе ассортимента растений для различных функциональных категорий системы озеленения крупных промышленных центров Сибири;

§ направления реконструкции системы озеленения городских территорий обоснованы в соответствии с типами градорастительных условий, рекомендациями по выбору видового состава и структуры насаждений.

Апробация. По теме диссертации опубликовано 58 статей, три монографии, 8 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Основные результаты и положения работы были представлены и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях: «Лесной и химический комплексы: проблемы и решения» (Красноярск, 1994-2004), «Химико-лесной комплекс: научное и кадровое обеспечение в 21 веке» (Красноярск, 2000), «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 1995-2004), «Экология большого города» (Москва, 2004), «Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» (Москва, 2005), «Проблемы озеленения городов» (Москва, 2006, 2007, 2008).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 382 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (из 358 наименований), иллюстрирована 84 рисунками, содержит 97 таблиц.

Личный вклад автора. Представленная работа является результатом многолетних исследований автора, который разрабатывал программы, методики, проводил натурные обследования, экспериментальные исследования, анализ, обобщение и интерпретацию полученных результатов.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы.

1. Анализ исследований роста и индикаторной роли древесных растений в урбанизированной среде

Ландшафт современного города отражает все разнообразие и противоречивость происходящих в нем процессов. Анализ исследований экологии городов показывает, что расширение городских территорий и современные технологические возможности их преобразования свели до минимума индивидуальный облик природной среды, на которой размещен город [Чистякова, 1988; Владимиров, 1999; Природный …, 2000; Большаков, 2000; Маслов, 2000]. Системный подход к исследованию зеленых насаждений, которые являются основным звеном экологического каркаса города, позволит выявить особенности их функционирования в условиях техногенных процессов и динамики ландшафтов, оценить продуктивность, классифицировать и моделировать изменение качества жизни в городской среде.

Морфометрия урбофитоценозов. Для оценки процессов роста древесных растений используется ряд биометрических параметров, описывающих размеры стволов и крон деревьев. При этом разработано значительное количество аналитических моделей для изучения динамики биометрических параметров древесных растений в естественных условиях произрастания [Кузьмичев, 1977; Кофман, 1986]. Для оптимизации структуры и видового состава городских насаждений необходимо адаптировать методы исследований хода роста как отдельных деревьев, так и их совокупностей для условий урбанизированной среды. Анализ изменения процессов роста и скорости развития позволит прогнозировать динамику состояния древесных растений, произрастающих в городской среде.

Биологическая продуктивность насаждений. В настоящее время накоплены материалы, дающие представление о характере и направленности энергетических процессов, протекающих в лесных сообществах, и о трансформации ими факторов среды. Анализ исследований показывает, что влияние фитоценозов на основные факторы среды в значительной степени определяется количеством сконцентрированной в них фитомассы и характером ее пространственного размещения [Протопопов, 1975; Загреев, 1978; Молчанов, 1973, 1983; Уткин, 1984, 1997, 2000; Усольцев, 1985, 1988, 1995, 2001, 2005]. Роль зеленых насаждений и доля их участия в повышении качества урбанизированной среды определяются их биологической продуктивностью, которая зависит от количества фитомассы зеленых насаждений и общей первичной продукции. Наиболее полно процесс биопродуктивности может быть описан тремя группами параметров: качественными, количественными и морфометрическими [Усольцев, 1995]. Они и положены нами в основу исследований фитомассы городских насаждений. дендроклиматический экологический микроклиматический

Функционально-экологическая эффективность зеленых насаждений. В настоящее время оценка санитарного и эстетического состояния древесных растений проводится глазомерно по состоянию крон деревьев, что приводит к субъективности результатов, либо по площади горизонтального сечения или объема крон, определяемых методами эвклидовой геометрии [Колесников, 1974; Полякова, 2004 и др.]. Данные показатели не отражают долю участия незанятых пространств в объеме дерева, которые изменяются в зависимости от уровня техногенных воздействий. Это значит, что теряется физический смысл оценки и возникает необходимость использования других подходов к их измерению. Решение данной задачи возможно с использованием методов фрактальной геометрии (Федер, 1991; Пайтген, Рихтер, 1993; Zeide, 1998; Баранцев, 2004; Трубецков, 2004).

Преобразование среды древесной растительностью определяется биологией основных видов древесных растений, их морфологическими и физиологическими особенностями [Молчанов, 1983; Цыганов, 1983; Kohyama, 1997; Заугольнова, Смирнова, 2000; Носова, Тихонова, Леонова, 2005]. Структура живой системы создается для выполнения определенных функций, которые являются целью и критериями процесса ее жизнедеятельности. Анализ работ, изучающих выполнение функциональной роли зелеными насаждениями с учетом условий их произрастания, позволил обосновать методы оценки полезных свойств древесных растений для условий городской среды [Белов,1964; Ву, 1971; Протопопов, 1975; Протопопова, 1982; Мальков, 1985;Полевой, 1989; Бурков, 1990; Якушина, 1990; Цельникер и др., 1993; Александров, 2001; Исаенко, Денискин, 2003].

В исследованиях В.А.Филина [2001] в области видеоэкологии среды установлено, что визуальная среда, ее насыщенность зрительными элементами постоянно оказывают сильное воздействие на общее психическое состояние человека, и в особенности - на орган зрения, т.е. действует как любой другой экологический фактор, составляющий среду обитания человека. Показателями оценки визуальной среды выступают эстетические параметры ее объектов, в частности, зеленых насаждений города.

Основы биоиндикационных исследований. Химические соединения техногенного происхождения, попадая в городскую среду, модифицируются биотическими и абиотическими составляющими, поэтому их окончательное воздействие на компоненты окружающей среды сложно прогнозировать. Методы биологической индикации позволяют оценить состояние среды по реакциям живых организмов-биоиндикаторов в показателях, имеющих биологический смысл [Биоиндикация…, 1988; Мэннинг, Федер, 1988; Ярмишко, 1997]. Анализ литературных источников позволил составить относительную (так как число экологических факторов и процессов, вызывающих у древесных растений способность к защите, потенциально не ограничено) классификацию процессов, факторов, видов, обусловливающих стабильность озелененных территорий в урбанизированной среде, и на основе экологического подхода определить алгоритм дендроиндикационных исследований методами биоиндикации [Морозов, 1962; Риклефс, 1979; Удовенко, 1979; Илькун, 1982; Матюк, 1983; Гродзинский, 1983; Полевой, 1989; Реймерс, 1990; Рожков, 2003; Николаевский, 2002; Лищинская, 2003; Башкин, 2005].

Морфологические особенности древесных растений являются достаточно информативными для определения стабильности их роста и степени изменения условий их произрастания [Николаевский, 1979, 1998, 2001; Цыганов, 1983; Мэннинг, Федер, 1988; Соловьев и др., 1989; Воронин, 1989; Ярмишко, 1997; Заугольнова, Смирнова, 2000; Шелухо, 2001; Носова и др., 2005]. Поэтому актуально проведение диагностики экологической комфортности среды по реакции признаков-маркеров древесных растений [Шемберг, Жарко, 1984]. На основании этого, нами определены методы исследования и система параметров, характеризующие динамику процессов жизнедеятельности древесных растений в условиях урбосреды. Они позволяют установить закономерности роста, выполнение экологических функций, эстетическое восприятие древесных растений, оценить состояние экологического риска городских территорий. Анализ индикаторной роли древесных растений позволил составить классификацию процессов и факторов, определяющих стабильность роста древесных растений в урбанизированной среде.

Основные направления реконструкции озеленения городов. Усложнение негативной техногенной ситуации в городе, снижение экологического качества жизни населения обусловливают основные направления архитектурно-ландшафтной реконструкции, представляющей собой целенаправленное изменение качества городской среды за счет достижения баланса и скоординированного последовательного преобразования природных и антропогенных компонентов [Нефедов, 2002, 2006; Морозова, 2003].

В процессе функционирования городских зеленых насаждений под воздействием факторов урбанизированной среды постоянно изменяются их состояние, эффективность выполнения заданных функций и, следовательно, качество объектов озеленения. В настоящее время отсутствует единая нормативная и методическая основа проведения оценки качества городских зеленых насаждений. Технология оценки на базе методов прикладной квалиметрии позволяет оценить состояние объектов озеленения и наметить основные направления повышения их экологической эффективности и эстетической значимости [Азгальдов, Райхман, 1972; Гличев, 1977, 1992; Репях, Левшина, Ковалев, 1999]. Анализ опубликованных работ показал актуальность исследований процессов роста и практической роли древесных растений в условиях сибирских городов, результаты которых могут быть использованы в качестве одного из базовых инструментов решения проблемы повышения качества жизни в городской среде и научного обоснования региональных концепций в области ландшафтного озеленения.

2. Научно-методические основы исследований

Объекты исследований. Выбор объектов исследований предопредели изучение экологической обстановки, природно-климатического фона и натурное обследование объектов озеленения г. Красноярска. В процессе экспериментальных исследований изучались биометрические параметры деревьев, параметры структуры насаждений и конкретные градорастительные условия.

Биометрические параметры деревьев (размеры стволов и крон) изучались для четырех видов древесных растений: лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), березы повислой (Betula pendula Roth), ели сибирской (Picea obovata Ledeb.), липы мелколистной (Tilia cordata Mill.), в возрасте от 8 до 50 лет.

Объем экспериментальных данных представлен 120 объектами озеленения города Красноярска, на которых обследовано около трех тысяч деревьев в 2002 - 2003 годах. При этом 260 деревьев на 23 объектах обмерены повторно. Первичные исследования проводились в 1991-92 гг. Исследуемые насаждения принадлежат к различным категориям озеленения: 38 участков заложены в насаждениях общего пользования (скверы, парки, озеленение набережных и площадей), 82 - в посадках улиц и магистралей. При исследовании степени фитонасыщенности крон с использованием специально разработанных программ обработано более 350 цифровых фотографий и видеозаписей. Необходимое и достаточное количество повторностей опытов определялось известными методами. На каждом участке выполнены обмеры не менее 10 деревьев, в результате которых получены следующие биометрические параметры: высота дерева, высота до максимального диаметра кроны, высота до начала кроны, диаметр дерева на высоте 1.3 м, диаметры кроны, обмеренные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Полученные параметры позволили вычислить длину кроны и ее освещенную поверхность, объем ствола и кроны.

Параметры структуры насаждений. Городские объекты озеленения, в отличие от естественных насаждений, формируются с учетом норм, разработанных для зеленых насаждений различного функционального назначения, которые не всегда адаптированы к местным природным условиям и техногенным нагрузкам, что усложняет рост растений в городской среде и не дает ожидаемых санитарного и эстетического эффектов.

Анализ пространственной структуры городских объектов озеленения и закономерных различий изменения габитуса деревьев в них показал, что все разнообразие насаждений можно разделить на два типа. Первый тип пространственной структуры объединяет насаждения, деревья в которых растут и развиваются в сообществе, - это групповой тип произрастания, второй тип - насаждения, состоящие из свободно растущих деревьев - свободный тип произрастания, т.е. растения в них не вступают в фазу роста в сообществе.

Градорастительные условия, являющиеся сочетанием природно-климатических, техногенных и социальных условий города, определялись с использованием разработанной нами методики.

Оценка техногенных воздействий. Методика определения техногенного воздействия автотранспорта на примагистральные пространства основана на поэтапном определении эмиссии отработанных газов, уровня загрязнения на различном удалении от магистрали и сравнении полученных результатов с предельно допустимыми концентрациями вредных веществ в воздушной среде для различных элементов урбоэкосистемы [Оценка…, 2002; Николаевский, 2002]. При расчете рассеивания выбросов от автотранспорта и определении концентрации токсичных веществ на различном удалении от магистралей использовалась модель Гаусса распределения примесей в атмосфере [Оценка…, 2002; Степень, 2002, 2003, Лобанов, 2002, 2003].

Классификация насаждений. Для решения данной задачи был использован кластерный анализ. Определение значимости показателей и их отбор по целесообразности использования для проведения классификации насаждений выполнены в следующем порядке: I этап - агломеративным методом проверялась достоверность показателей; на II этапе число выделенных групп закладывалось в кластер-анализ k-средних. Принадлежность к кластеру определялась в многомерном анализе наибольшим числом общих значений признаков [Факторный…, 1989; Боровиков, Боровиков, 1997].

Методы изучения роста, биопродуктивности и эффективности функционирования городских насаждений. Построение рядов роста деревьев в высоту проведено статистическим методом [Кузьмичев, 1977; Анучин, 1982, 2004]. Для выравнивания взаимосвязи средних значений высот деревьев с возрастом в пределах рядов роста по высоте использовалось уравнение Мичерлиха.

Крона дерева является фрактальной структурой, а плотность ее заполнения характеризуется фрактальной размерностью массы (Федер, 1991; Пайтген, Рихтер, 1993; Zeide, 1998; Баранцев, 2004; Трубецков, 2004). Поэтому для объективной характеристики состояния зеленых насаждений использовались аналитические методы фрактальной геометрии [Баранцев 1988, 2003; Zeide, 1998; Синергетика…, 1998; Исаева, 2002; Евин, 2004]. Описание процесса изменения степени фитонасыщенности крон лиственницы было выражено в дробных «решетчатых» единицах, а их расчет проведен с применением специально разработанных программ на основе цифровых фото- и видеозаписей. В программе для определения фрактальной размерности фитонасыщенности крон заложен метод подсчета квадратов (box counting).

Для количественной оценки биологической продуктивности зеленых насаждений использовался регрессионный метод, в основе которого лежит использование зависимостей фракционного состава фитомассы дерева от таксационных показателей [Яблоков, 1934; Уткин и др., 1970; Аткин, 1984; Усольцев, 1984, 1988, 1995; Бабич и др., 2004]. Количественные значения запаса фитомассы и годичной продукции аппроксимированы аллометрической зависимостью (в качестве независимого аргумента принято произведение d²h): , где Y - показатели продуктивности (запас фитомассы, т/га, общая первичная продукция, т/га в год); а, в - коэффициенты уравнений; d - диаметр ствола, см; h - высота дерева, м (Уткин, 1984; Усольцев, 2005). Полученная модель для исследуемых видов позволяет определять показатели фитомассы в различных условиях городской среды.

В основе методики определения кислородопроизводящей и поглотительной способности насаждений, обоснованной рядом авторов, лежит расчет, характеризующий процесс фотосинтеза растений и баланс элементов C, O, H в сухом органическом веществе [Протопопов, 1978; Молчанов, 1978]. Исследования, проведенные Ю.Г. Мальковым [1985] в различных насаждениях Красноярска, показали способность насаждений трансформировать среду. Степень ее изменения зависит от конструкции зеленых насаждений. Установленные им зависимости использовались для расчета относительной влажности воздуха и пылепоглотительной способности насаждений Красноярска.

Методические основы оценки уровня качества городских объектов озеленения. Для проведения целенаправленной работы по управлению качеством объектов озеленения необходима периодическая оценка их соответствия градостроительным и социальным требованиям. В этом случае, объекты озеленения выступают предметами прикладной квалиметрии, основная задача которой состоит в измерении степени соответствия качества объекта требованиям потребителей методами количественной оценки [Азгальдов, Райхман, 1972; Гличев, 1977, 1992; Репях, Левшина, Ковалев, 1999]. На основании этого разработана классификационная система показателей качества с иерархической многоуровневой структурой, адаптированы методики прикладной квалиметрии для расчета параметров весомости единичных показателей и оценки уровня качества объекта озеленения. Алгоритм исследований представлен в таблице 1.

3. Динамика формирования урбанизированной среды

Природные ресурсы г. Красноярска и его зеленой зоны. Ландшафтно-экологические ресурсы, на базе которых создаются урбанизированные комплексы, предопределяют продуктивность растительности, а также граничные условия их техногенной трансформации. Территория Красноярска и его зеленой зоны располагается в зоне умеренного климата на стыке трех геоморфологических стран, представлена тремя ландшафтными зонами и восемью типами ландшафтов, у которых прослеживаются переходные черты (Герасимов, 1964; Кириллов, 1977, Безруких, Кириллов, 1993). Растительный покров представлен тремя основными типами экосистем: таежных лесов, лесостепной и степной [Ландшафтная основа…, 1995]. Каждая экосистема имеет свои природные особенности и эстетические качества, способна выдерживать разные по уровню антропогенные нагрузки. Под влиянием сложившихся ландшафтных структур формируются различные мезоклиматические условия.

Анализ дендроклиматических ресурсов (по данным многолетних наблюдений на метеостанциях Столбы; Сорокино; Красноярск, Опытное поле; Красноярск, город) показал, что территория обладает значительным биологическим потенциалом и дифференцируется на три дендроклиматических подрайона [Шульгин, 1973; Будыко, 1980; Климат…, 1982; Шашко, 1985; Гольцберг, 2000; Лосев, Журина, 2001].

Результаты исследований позволили провести анализ связи между параметрами экологических ниш 15 видов древесных растений и параметрами ландшафтных зон. Степень их соответствия характеризует чувствительность растений к определенным параметрам среды. Установлено, что природные условия всех представленных ландшафтных зон соответствуют параметрам экологических ниш лиственницы, березы, сосны, жимолости и шиповника; на территории темнохвойной и светлохвойной тайги сумма активных температур не отвечает биологическим требованиям дуба, клена, липы, лещины; ландшафты лесостепи и степи по условиям сочетания температуры и влажности не соответствуют требованиям для роста пихты, ели, клена, можжевельника, ивы и черемухи. Основными лимитирующими факторами для развития древесных растений в данных условиях выступают режимы увлажнения и температуры воздуха. Эти факторы необходимо учитывать при подборе древесных растений для городских насаждений. Данные результаты обусловили выбор объектов исследований.

Среди природных процессов и явлений на комфортность городской среды значительное влияние оказывают погодные условия. Биоклиматическая оценка, составленная по данным метеостанции Красноярск-город, показала, что в Красноярске комфортные условия составляют 10% в году, благоприятные (теплые и прохладные) - 25%. В остальной период необходимо создание как «охлаждающего эффекта» в летнее время для компенсации перегревных условий, так и снижение воздействий суровых погодных условий в зимний период. При этом город расположен в местности с высоким метеопотенциалом загрязнения атмосферы. В среднем в городе фиксируется до 70 дней с метеоусловиями, способствующими накоплению загрязняющих веществ в атмосфере [Государственные доклады «О состоянии окружающей природной среды Красноярского края», 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003]. Состояние микроклиматических условий диктует необходимость оптимизации городской среды с целью создания благоприятных для человека экологических условий, в том числе за счет рациональной организации системы озеленения городских и пригородных пространств, выбора древесных растений и технологий по уходу за ними с учетом закономерностей их формирования и соответствия ресурсному потенциалу природной основы территорий.

Экологический потенциал района исследований. Экологический потенциал города складывается на основе средоформирующих, градостроительных и рекреационных ресурсов местности. Территориальные параметры и техногенное развитие Красноярска, городов-спутников и их пригородных зон достигли такого влияния на природный комплекс, при котором проявляются объективные закономерности преобразования ландшафтной среды не только в пределах отдельных районов, но и в широких пространственных границах.

Анализ плотности населения Красноярска, его размеров и состояния среды показывает, что крупный город не обеспечивает воспроизводство основных природных ресурсов в пределах своей территории. При этом территориальные, ландшафтные, рекреационные, транспортные характеристики зеленой зоны говорят о ее высоких потенциальных возможностях компенсировать негативное воздействие города. Анализ литературных источников [Протопопова, 1972; Лоскутов, 1998 и др.], состав растений, выращиваемых в дендрариях Института Леса СО РАН и СибГТУ, проведенные исследования свидетельствуют о возможности расширения ассортимента древесных растений в озеленении города Красноярска и населенных пунктов, расположенных в его зеленой зоне, с учетом особенностей местности. В целом природный каркас территории обладает значительным потенциалом для развития природно-техногенной системы и при рациональной организации системы озеленения (структуры, ассортимента) способен поддерживать устойчивое экологическое равновесие в данном урбанизированном комплексе.

Исторические аспекты взаимосвязи природного окружения, композиционной структуры и системы озеленения города. Как свидетельствуют документальные источники, выбор места для строительства городов Сибири диктовался не только стратегическими соображениями, но и благоприятными условиями для ведения сельского хозяйства, торговли и промысла [Оглы, 1980; Перцик, 1980]. Возникая на пересечении основных водных и сухопутных путей, они размещались на удобных, чаще возвышенных участках, в устье небольших рек при впадении их в более крупные водные артерии. В период становления город размещался в особо комфортных микроклиматических условиях горной котловины, защищенной от северных ветров, а компактный характер планировки острога и посада не противоречил специфическим климатическим условиям и природному окружению.

В своем развитии город Красноярск прошел ряд этапов. В настоящее время он является одним из крупнейших центров Восточной Сибири. В результате анализа состояния среды выявлены основные экологические проблемы и составлена схема взаимодействия естественных и антропогенных факторов в среде сибирского города.

Важным показателем состояния комфортности урбанизированных территорий является обеспеченность жителей озелененными территориями всех категорий, благодаря которым складывается интегральный средозащитный и эстетический эффект. Анализ исследований и результаты практической апробации показали, что достичь желаемого уровня комфортности в промышленных городах Сибири возможно при общей площади зеленых насаждений не менее 30% от площади городских земель [Лунц, 1974; Коропачинский, 1983; 1987; Неверова, Колмагорова, 2003]. В настоящее время озелененность территории города составляет 60 % от вышеуказанного оптимального соотношения площади застроенных и «зеленых» территорий. Недостаток озеленения общего пользования составляет 67% от существующих и 75% от перспективных нормативов. Требуется проведение работ по расширению озелененных территорий общего пользования дополнительно на 2,0 тыс. га.

Основной состав древесных растений в озеленении города в настоящее время представлен ограниченным числом видов: тополь бальзамический составляет 42; яблоня сибирская - 11, вязы (мелколистный, приземистый, перистоветвистый) - 8, лиственница сибирская - 11, береза повислая - 8, клен ясенелистный - 6, ели сибирская и европейская - 5, липа мелколистная - 5 и прочие виды - 4 %. При этом анализ видового состава зеленых насаждений показал, что с учетом коллекций ботанических садов и дендрариев ассортимент древесных растений в озеленении города представлен достаточно разнообразно (более 400 видов и разновидностей) [Протопопова, 1964; 1966; 1972; Погосова, Чаплыгин, 1983; Коропачинский, 1987; Лоскутов, 1998; 2005; Плешиков и др., 2001; Артемьев, 2004; Романова, 2005, Павлов, 2006].

Ретроспективный анализ развития и современного состояния озеленения Красноярска показал, что зеленые насаждения города представляют собой не систему озеленения, а лишь совокупность парковых, линейных, дворовых, санитарно-защитных территорий, не обеспечивающих формирование благоприятной экологической обстановки в различных зонах города.

Динамика техногенных воздействий. За время развития города ландшафтная среда претерпела значительные изменения. В настоящее время город является сложной, динамически развивающейся, зависимой урбоэкосистемой, которая представляет собой комплекс подсистем разного уровня. Сочетание их формирует в городе экологическое пространство для жизни людей и роста растений. Современное экологическое состояние среды Красноярска сформировалось в течение длительного периода нарастания промышленного потенциала до 1991-92 гг. и последующего спада производства, что отразилось на составе и уровне загрязнения атмосферы города. Максимальный индекс загрязнения атмосферы города Красноярска (ИЗА₅) по пяти приоритетным примесям (взвешенные вещества, формальдегид, бенз(а)пирен, диоксид азота, сероуглерод) и большим количествам дополнительных загрязняющих веществ 1 - 2 классов опасности, зафиксирован в 1991 году и был равен 64,6. В 2002 году ИЗА₅ составил 10,83, что в 6,5 раз ниже уровня 1991 года, однако характеризуется как «очень высокий».

Качество воздушной среды (согласно СН 369-74) рассчитывается с точки зрения влияния поллютантов на человека. Однако даже при соблюдении установленных норм древесные растения вокруг промышленных предприятий деградируют и гибнут [Николаевский, 1978; 1989; 2002; Павлов, 2006]. Установлено, что степень опасности, качественный состав и нормы предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ для населения и растений значительно различаются [Чернышенко, 1999; Николаевский, 2002; Николаевский, Якубов, 2002; Якубов, 2005]. Анализ загрязнения воздушной среды Красноярска за 1993 и 2003 годы показал, что концентрации вредных веществ для населения находятся в пределах от 2 до 5 ПДК (за исключением бенз(а)пирена в 1993 году). Для растительности эти же уровни концентраций соответствуют 6 - 10 ПДК. При этом трехкратное превышение ПДК для зеленых насаждений вызывает снижение фотосинтеза, пятикратное - нарушение морфогенеза и продуктивности растений, десятикратное - гибель чувствительных видов (хвойные породы) и деградацию насаждений [Николаевский, Якубов, 2002]. Таким образом, в городе сложились неблагоприятные условия для роста растений. При этом гигиенические нормы ПДК загрязнителей, разработанные с учетом их воздействия на человека, не могут обеспечить устойчивого развития растительности. Следовательно, необходимо оценить экологическое состояние среды с точки зрения условий произрастания растений, провести классификацию городских территорий по биологическим критериям.

В настоящее время доля выбросов от автотранспорта неуклонно растет, поэтому актуальным является вопрос оценки их воздействия на примагистральные пространства. Дорожно-транспортная система воздействует на значительные территории, является экологической опасностью, которую нельзя полностью устранить, но можно существенно уменьшить. В связи с этим принятие решений в данном направлении должно основываться на определении риска дорожно-транспортных воздействий на все живые организмы [Оценка…, 2002; Званцев и др. 2002, Лобанов, 2004]. В работе нами проведен анализ ландшафтных, технических, планировочных характеристик и выполнена оценка риска загрязнения придорожных пространств семи улиц и магистралей (на примере 10 дорожно-транспортных участков) города Красноярска. Ландшафтный анализ улиц и магистралей города показал, что сочетания климатических и градостроительных условий города Красноярска как усиливают, так и ослабляют техногенные нагрузки на природные компоненты среды. Результаты анализа риска загрязнения атмосферного воздуха и почвы в примагистральном пространстве улиц показали, что на всех объектах прослеживается превышение концентраций вредных веществ для растений от 1 до 14 ПДК. Полученные данные позволили провести зонирование улиц и магистралей города, определить площадь территорий, на которых растения находятся под активным воздействием автотранспорта. Установлены четыре уровня воздействия дорожно-транспортной системы на зеленые насаждения в примагистральных пространствах. В качестве критериев оценки использовались биологические нормы ПДК. При этом всего лишь около 30% насаждений вдоль автодорог города произрастают в удовлетворительных условиях, где превышение норм загрязнения по отдельным примесям от воздействия автотранспорта составляет до 3х ПДК, к которым добавляются еще и фоновые концентрации вредных веществ.

Интегральная оценка состояния среды. Анализ информации по уровню загрязнения городских территорий показал, что наиболее комплексно состояние среды отражено на Схеме экологического зонирования г. Красноярска, разработанной Госцентром «Природа» за 1992 год, за критерии оценки ими приняты гигиенические нормы ПДК для населения. Согласно этим данным, 82 % городских территорий характеризуются конфликтным и напряженным, 10 % - удовлетворительным состоянием среды для проживания населения.

Основными факторами, ухудшающими экологическое состояние городских территорий, являются: количественное и качественное несоответствие насаждений сложившейся ландшафтно-техногенной обстановке города и градостроительным нормативам озеленения; автономность объектов и их оторванность от пригородной зоны; отсутствие непрерывных зеленых коридоров вдоль ландшафтных и инженерно-транспортных осей; несоответствие видового состава и структуры насаждений функциональной категории объекта озеленения. Техногенное загрязнение и градостроительная трансформация территории обусловили изменения метеорологического режима в городе, усилили термические различия между городскими и пригородными пространствами.

Показатели экологического состояния территорий, установленные на Схеме, характеризуют экологический фон города в целом. Однако натурные обследования городских территорий показали, что на микротерриториальном уровне формируются локальные ситуации, которые отличаются от установленных на схеме уровней загрязнения среды. Нами выявлены обстоятельства, формирующие локальные экологические ситуации на территориях, отрицательно влияющие на зеленые насаждения. Это приводит к дестабилизации роста и развития древесных растений, что в целом ведет к снижению качества жизни в городской среде и диктует необходимость проведения работ по ее оптимизации.

Классификация городских территорий по условиям произрастания древесных растений. Для оценки условий произрастания зеленых насаждений разработана методика на базе пространственно-статистического метода. В качестве критерия состояния озелененных территорий принималась плотность негативных факторов, отрицательно влияющих на рост древесных растений с учетом интенсивности их проявления, которая определялась как сумма баллов, состоящая, во-первых, из баллов, отражающих экологический фон города (по данным госцентра «Природа») и, во-вторых, дополнительных, разработанных нами, баллов, отражающих негативное воздействие среды на зеленые насаждения. Данный показатель - относительно-количественный, который позволяет объективно оценить напряженность экологического состояния данной территории в единой системе балльной оценки (в соответствии с методикой экологического районирования города). Разработанная методика позволяет классифицировать территории как типы градорастительных условий, то есть выделять территории с определенным природным ресурсным потенциалом и плотностью техногенных нагрузок, требующие различных экономических вложений и технологических уходов. Тип градорастительных условий отражает интенсивность антропогенного воздействия на объекты озеленения и позволяет прогнозировать продуктивность и трансформацию зеленых насаждений в данных условиях произрастания. Натурные обследования с использованием данной методики позволили выделить в Красноярске 4 основных уровня состояния озелененных территорий города, которым присвоены категории удовлетворительного, напряженного, конфликтного и критического типов градорастительных условий. Разработанная методика оценки состояния территорий позволяет классифицировать градорастительные условия, является инструментом мониторинга и оценки качества жизни в городской среде.

4. Рост древесных растений в урбанизированной среде

Видовые особенности роста древесных растений. Эффективность городских объектов озеленения зависит от выбора структуры и видового состава зеленых насаждений, адекватных типу градорастительных условий. Поэтому достоверная классификация городских насаждений и изучение показателей роста и продуктивности древесных видов имеют важное значение для принятия проектных и эксплуатационных решений. Исходными данными для группировки насаждений по реакциям древесных растений на условия произрастания послужили две группы параметров: количественные и качественные. Первая группа параметров - это возрастные и линейные характеристики деревьев: высота, диаметр ствола на высоте 1,3 м, диаметр кроны. Вторая группа - характеристики условий произрастания насаждений, которые определялись в соответствии с разработанной нами методикой оценки среды на локальном уровне (в баллах). Для решения данной задачи был использован кластерный анализ. Анализ результатов классификации показал, что древесные виды по-разному реагируют на техногенные воздействия среды и структурные параметры насаждений.

Лиственница сибирская. По сходству влияния условий городской среды на биометрические параметры деревьев лиственничные насаждения разделились на четыре группы - I, II, III, IV, что соответствует установленному количеству типов градорастительных условий. В кластерах I и III выделяются подгруппы, в которых насаждения разделились в соответствии с пространственной структурой. В кластерах II и IV различия не проявились, вероятно, из-за недостаточного количества этих объектов.

Береза повислая. До 25-летнего возраста градорастительные условия не оказывают существенного влияния на ее морфологическое развитие. В дальнейшем береза в большей степени реагирует на изменения в пространственной структуре насаждений, чем на внешние факторы среды.

§ береза повислая в большей степени реагирует на изменения в пространственной структуре насаждений, что проявляется в их объединении в два типа по интенсивности роста. В первый тип объединились насаждения с групповым типом посадки, во второй - со свободным. Разница между ними по высоте к 45 годам достигает двух метров (рис. 2). В каждом типе роста выделяется по две подгруппы, в зависимости от типа градорастительных условий, при этом в каждой подгруппе объединились насаждения, произрастающие в I и II или в III и IV типах градорастительных условий;

§ ель сибирская: при увеличении плотности комплекса негативных факторов наблюдается снижение высоты насаждений, достигающее к 45-летнему возрасту во II типе роста 22 % по сравнению с I типом роста деревьев. Пространственная структура насаждений оказывает меньшее влияние на различия роста по высоте, которые начинают проявляться с 30-летнего возраста и к 45 годам достигают 0,9 м, или 10%.

Характер роста в высоту определяется обобщенным влиянием природных и антропогенных факторов, следовательно, тип роста по высоте является совокупным индикатором данного влияния. Сравнительный анализ роста деревьев по высоте показал, что:

· реакции изучаемых видов деревьев на воздействия городской среды проявляются в изменении показателей роста. Наибольшая амплитуда изменения значений по высоте наблюдается у лиственницы сибирской, разброс значений составляет до 10 м в зависимости от уровня техногенного воздействия, что говорит о ее значительной чувствительности и, в тоже время, адаптации к стрессовым нагрузкам и возможности использования данного вида в качестве дендроиндикатора. У березы повислой и ели сибирской разброс значений значительно ниже - до 4 м.

· наложение графиков зависимости высоты деревьев от возраста, произрастающих в естественных и городских условиях, показало:

- высота деревьев лиственницы сибирской, растущей в городской среде в удовлетворительных условиях (I тип градорастительных условий), до 35-летнего возраста превышает (до двух метров) высоту древостоев II класса бонитета естественных насаждений. Однако к 45- летнему возрасту происходит снижение темпов роста и ее высота соответствует данному показателю деревьев естественных насаждений II класса бонитета. У деревьев лиственницы сибирской, растущих в II, III и IV типах градорастительных условий (напряженные, конфликтные и критические условия для роста растений), потери по высоте к 45-летнему возрасту составляют 16, 33 и 48 % соответственно относительно данного показателя естественных насаждений II класса бонитета (преобладающего в естественных условиях зеленой зоны города);

- городские насаждения березы повислой, произрастающие в удовлетворительных и конфликтных условиях (I и II типы градорастительных условий), к 45-летнему возрасту отстают в росте по высоте на 18 %, растущие в III и IV типах градорастительных условий - на 45 %, относительно высоты деревьев естественных насаждений II класса бонитета;

- высота деревьев ели сибирской, произрастающих в удовлетворительных и напряженных условиях города (I и II типы градорастительных условия) на 10% ниже высоты насаждений III класса бонитета естественных насаждений. У деревьев ели сибирской, растущих в III типе градорастительных условий (конфликтные условия для роста растений), потери по высоте к 45-летнему возрасту составляют до 35 % относительно данного показателя естественных насаждений III (преобладающего в естественных условиях) класса бонитета. При этом деревья ели сибирской не выдерживают воздействий критических нагрузок городской среды (IV тип градорастительных условий), насаждения деградируют, что приводит к преждевременной гибели деревьев в возрасте 25 - 30 лет;

· данные по высоте насаждений в городских условиях Новосибирска, Новокузнецка, Санкт-Петербурга, Воронежа согласуются с результатами исследований в г. Красноярске - при увеличении техногенных нагрузок высота деревьев снижается.

Анализ роста древесных растений по высоте в динамике. В биометрических параметрах деревьев фиксируется их реакция на условия произрастания, тем самым морфология дерева отражает ретроспективную информацию о росте растений и изменении среды [Усольцев, 1995]. Достоверность построенных рядов хода роста подтверждается проведением повторных экспериментальных исследований роста лиственницы сибирской и березы повислой в одних и тех же насаждениях с разницей в 10 лет. Отрезки изменения высоты насаждений с 1993 по 2003 гг., наложенные на ряды роста (2003 год), показали, что используемый метод, ориентированный на выявление реакций древесных растений на условия произрастания, является адекватным для построения моделей роста насаждений в условиях городской среды (рис. 1, 2).