Фитоиндикация влажности почвогрунтов на городской территории (на примере города Гомеля)

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Фитоиндикация влажности почвогрунтов на городской территории (на примере города Гомеля)

А.П. Гусев

Рассмотрены результаты изучения рудеральной растительности как индикатора влажности почвогрунтов. Для индикации процесса подтопления используются синтаксоны эколого-флористической классификации Браун-Бланке (Braun-Blanquet) и экологические шкалы Д.Н. Цыганова и Х. Элленберга (Ellenberg). Установлена связь между наиболее распространенными ассоциациями рудеральной растительности и глубиной залегания грунтовых вод. Выявлены сообщества-индикаторы зон подтопления городской территории.

городской территория растительность влажность почвогрунт

Широко распространенным в урбанизированной территории инженерно-геологическим процессом является подтопление (направленное повышение влажности грунтов или уровня грунтовых вод). Острота возникающих при подтоплении проблем возрастает в крупных городах [6].

Подтопление - это многофакторный процесс, осложняющий использование территории города, действие которого приводит к экологическим, материальным и социальным потерям. Основными причинами этого негативного процесса являются: изменение условий поверхностного стока при вертикальной планировке, при засыпке естественных дрен, при производстве земляных работ; инфильтрации утечек воды из подземных водонесущих коммуникаций, инфильтрация поливных вод; нарушение условий подземного стока и т.д. Интенсивная и плотная застройка городской территории, заасфальтированные пространства в сильной степени нарушают естественный баланс влаги. В результате со временем на значительных площадях увеличивается влажность грунтов, формируется зона верховодки, поднимается уровень грунтовых вод. Подтопление вызывает ряд негативных последствий: затопление подземных сооружений и коммуникаций, строительных котлованов; коррозия металла и бетона подземных сооружений и конструкций; ухудшение санитарных условий в жилых помещениях; изменение физико-механических, прочностных и деформационных свойств грунтов, активизацию других инженерно-геологических процессов (суффозия, просадки, набухание, оползни). Так, существенную опасность представляют собой аварийные утечки из водонесущих коммуникаций, имеющие локальный характер и вызывающие неравномерные просадки оснований и деформации несущих конструкций зданий и сооружений. Причем, наиболее опасны аварийные утечки из систем горячего водоснабжения и систем отопления [5].

Кроме того, подтопление тесно связано с химическим и бактериальным загрязнением грунтовых вод, ростом температуры и агрессивности грунтов. В комплексе эти процессы могут привести к разрушению фундаментов зданий и сооружений, коррозии металлической арматуры и бетона, резкому ухудшению качества вод питьевого назначения [1].

Процесс подтопления жилых зданий и промышленных объектов характерен и для территории городов Беларуси. Так, активно подтапливаются такие города, как Витебск, Полоцк, Гомель, Солигорск, Пинск, Верхнедвинск. Например, в Гомеле подтоплением охвачено около 3000 га территории города, в том числе значительная часть жилой застройки [1,6].

Все это обуславливает необходимость разработки методов, позволяющих эффективно диагностировать зоны развития процессов подтопления, в том числе, методов, не требующих бурения, шурфования и других работ, часто невыполнимых в условиях городского ландшафта. Таким методом является фитоиндикация, основанная на способности растительности отражать условия среды. Современные геологические процессы и явления часто отражаются в структуре и динамике растительного покрова, в сукцессиях растительности. Ряд показателей сложно определить непосредственными измерениями (например, влажность почв и ее динамику). В этом случае эффективно используют фитоиндикаторы. При фитоиндикации фактор оценивается в небольшом числе градаций (классов), которые, тем не менее, имеют высокую экологическую информативность, так как оценивают среду «глазами самого растения» [3,4].

Наши исследования проводились в 2000-2006 гг. на территории города Гомеля. В ходе полевых работ было выполнено свыше 600 геоботанических описаний стихийно формирующейся (спонтанной) растительности в различных типах антропогенных и природно-антропогенных ландшафтов. Для изучения растительности использовались пробные площадки (10х10 и 5х5 м). Геоботанические описания сводились в фитоценологические таблицы, при обработке которых использовался метод Браун-Бланке [4,8]. Синтаксономическая диагностика ассоциаций выполнялась по [10]. Метод Браун-Бланке обладает рядом преимуществ: развитая методология, позволяющая классифицировать любую растительность, в том числе и городскую; совершенная система номенклатуры; гибкость критериев классификации; высокая информативность синтаксонов; открытость и пластичность системы; доступность и простота в применении. Синтаксономические единицы этой системы, выделяемые на основе флористического состава, хорошо отражают условия местообитания сообщества и экологию самих сообществ.

Изменение условий экотопа ходе развития ряда неблагоприятных инженерно-геологических процессов отражается в фитоценотической и экологической структуре растительного покрова. Эта взаимосвязь обуславливает возможность использования растительности как индикатора инженерно-геологических условий и процессов. В современной геоботанике разработан ряд методов изучения связи растительности со средой, основанных на расчете коэффициентов сопряженности (качественной корреляции) [2].

В ходе исследований на основе градиентного анализа устанавливалась связь между распространенностью растительных сообществ и классами влажности почвогрунтов. Для оценки связи рудеральных сообществ (ассоциаций) с влажностью почвогрунтов (глубиной залегания уровня грунтовых вод или верховодки) все возможные на территории исследований условия были сведены к четырем классам: 1) глубина залегания уровня грунтовых вод менее 1 м; 2) глубина залегания уровня грунтовых вод 1-1,5 м; 3) глубина залегания уровня грунтовых вод 1,5-3 м; 4) глубина залегания грунтовых вод более 3 м.

Оценка связи и ее достоверности выполнялась с помощью коэффициентов качественной корреляции или сопряженности - трансформированный коэффициент Дайса (ТКД) и критерий Пирсона - хи-квадрат [2]. Расчет этих показателей осуществлялся на основе обычной таблицы 2х2 по формулам:

ТКД= (а - (минимальное из в или с))/(а+(минимальное из в или с),

Х2= (а - (минимальное из в или с)2/(а+(минимальное из в или с),

где а - число случаев совместных встреч сообщества и класса условий среды; в - число случаев, когда сообщество встречается в других классах; с - число случаев, когда данных класс встречается без данного сообщества. ТКД отражает степень перекрытия экологической амплитуды данного сообщества и класса условий среды, т.е. позволяет оценить связь сообщества с определенными условиями.

На основе расчета указанных показателей была установлена связь между ассоциациями рудеральной растительности и классами влажности почвогрунтов (табл. 1). Достоверную связь с тем или иным классом влажности имеют 12 ассоциаций (всего анализу подверглось свыше 40 ассоциаций синантропной растительности). Так, индикаторами подтопления городской территории (высокой влажности почв) могут служить Bidentietum tripartiti W.Koch 1940, Phragmitetum communis (Gams 1927) Schmale 1939, Typhetum latifolium G.Long 1973, Urtico-Calystegieto sepium Gors et Mull. 1969, Lamio albi-Conietum maculati Oberd. 1957.

Таблица 1

Сопряженность синантропных сообществ с классами градиента влажности почвогрунтов

Примечание. * - трансформированный коэффициент Дайса (указаны только достоверные значения, Х2>3,84).

Высокое диагностическое значение имеет ассоциация Bidentietum tripartiti W.Koch 1940 (класс Bidentetea tripartiti Tx., Lohm. et Prsg. in Tx. 1950, порядок Bidentetalia tripartitae Br.-Bl. et Tx. 1943, союз Bidention tripartiti Notdhagen 1940). Это сообщество формируется на почвах с высокой влажностью (при глубине залегания уровня грунтовых вод - до 1 м) и отмечается в местах, подверженных интенсивному вытаптыванию. Ассоциация неоднократно наблюдалась нами на подтопляемых садово-огородных участках, пустырях, строительных площадках. Ассоциация Bidentietum tripartiti W.Koch 1940 характеризуется относительно устойчивым видовым составом. Диагностические виды ассоциации: череда трехраздельная (Bidens tripartitus L.), горец почечуйный (Polygonum persicaria L.), лютик ядовитый (Ranunculus scelerantus L.), частуха подорожниковая (Alisma plantago-aquatica L.), куриное просо обыкновенное (Echinochloa crus-galli (L.) Beauv.), ситник жабий (Juncus bufonius L.). В местах, где антропогенное воздействие отсутствует, формируется ассоциация Phragmitetum communis (Gams 1927) Schmale 1939. Диагностическим признаком ассоциации является доминирование тростника обыкновенного (Phragmites communis Trin.), имеющего здесь проективное покрытие - более 50%. Другие виды имеют небольшое обилие: рогоз широколистный (Typha latifolia L.), рогоз узколистный (Typha angustifolia L.), зюзник европейский (Lycopus europaeus L.), дербенник ивоволистный (Lythrum salicaria L.), частуха подорожниковая (Alisma plantago-aquatica L.). Появление этого сообщества также диагностирует почвы с высокой влажностью (при глубине залегания уровня грунтовых вод - до 1 м).

Начало процесса подтопления (повышение влажности) диагностируют ассоциация Urtico-Calystegieto sepium Gors et Mull. 1969 союза Convolvulion sepium R.Tx. 1947 em. Mull. 1981 и ассоциация Lamio albi-Conietum maculati Oberd. 1957 союза Arction lappae R.Tx. em Gutte 1972. Для этих сообществ характерны такие виды, как крапива двудомная (Urtica dioica L.), болиголов пятнистый (Conium maculatum L.), повой заборный (Calystegia sepium (L.) R. Br.), хмель обыкновенный (Humulus lupulus L.), подмаренник цепкий (Galium aparine L.), мятлик болотный (Poa palustris L.), лютик ползучий (Ranunculus repens L.) и другие.

Ряд сообществ достоверно сопряжен с почвогрунтами, обладающими низкой влажностью (глубина залегания грунтовых вод - более 3 м) - Echio-Melilotetum albae Tx. 1942, Setario-Plantaginetum indicae Passarge 1988, Corynephoretum canescentis Tx. 1928. Эти сообщества формируются ксерофитными и мезоксерофитными видами, такими как булавоносец седой (Corynephorus canescens (L.) P.B.), тонконог сизый (Koeleria glauca (Spreng.) DC), икотник серозеленый (Berteroa incana (L.) DC), клоповник мусорный (Lepidium ruderale L.), люцерна хмелевая (Medicago lupulina L.), ослинник двулетний (Oenothera biennis L), синяк обыкновенный (Echium vulgare L.), цмин песчаный (Helichrysum arenarium (L.) Moench.) и т.д.

Из табл. 1 видно, что достоверная сопряженность характерна, прежде всего, для сообществ, произрастающих в экстремальных условиях: сильно влажных или сильно сухих. В тоже время для многих сообществ достоверная положительная сопряженность с классами влажности почвогрунтов, рассчитываемая по коэффициенту ТКД отсутствует. К ним относятся широко распространенные в городском ландшафте синантропные фитоценозы - Echinochloo-Setarietum Krusem. et Vlieg. (1939) 1940, Galinsogo-Setarietum (R.Tx. et Beck. 1942) R.Tx. 1950, Artemisio-Tanacetetum vulgaris Br.-Bl. 1931 corr. 1949, Artemisietum absinthii Schubert et Mahn. 1959 ex Elias 1982, Agropyretum repentis (Felf. 1942) Gors 1966, Plantagini-Polygonetum avicularis (Gams 1927) Pass. 1964 и другие. Это сообщества, формирующиеся при умеренной влажности, т.е. не в экстремальных условиях.

Определить влажность экотопа этих и других фитоценозов можно с помощью индикационных экологических шкал. Наиболее широко применяются экологические шкалы Х. Элленберга [9] и Д.Н. Цыганова [7]. При использовании этих шкал итоговая балловая оценка по некоторому фактору вычисляется как среднее значение из балловых оценок по этому фактору всех видов, входящих в описание (сообщество). Для оценки влажности почвогрунтов, характерной для того или иного сообщества, нами были рассчитаны средние значения по 12-бальной шкале влажности Х. Элленберга (F) и по 23-бальной шкале влажности Д.Н. Цыганова (Hd). В табл. 2 приведены значения этих показателей для наиболее распространенных в городском ландшафте фитоценозов. Высокая влажность почв соответствует значениям шкалы Hd более 12, шкалы F - более 6. Видно, что почвы, характеризующиеся повышенной влажностью, занимаются такие сообщества, как Lamio albi-Conietum maculati Oberd. 1957, Urtico-Calystegieto sepium Gors et Mull. 1969, Bidentietum tripartite W.Koch 1940. Избыточная влажность («мокрые почвы») характерна для Typhetum latifolium G.Long 1973 и Typhetum latifolium G.Long 1973. Это подтверждает результаты, полученные на основе изучения сопряженности синантропных ассоциаций с классами глубины залегания уровня грунтовых вод. Применение экологических шкал позволяет использовать для индикации все сообщества (или описания растительности без синтаксономической интерпретации), но достоверность оценки влажности будет колебаться в широких пределах.

Развитие процесса подтопления отражается в закономерной пространственно-временной смене растительных сообществ. Например, на рудеральных пустырях северного промышленного узла города Гомеля по мере роста влажности экотопа наблюдалась последовательная смена ассоциаций: Artemisietum vulgaris R.Tx. 1942 - Arctietum lappae Felfoldy 1942 - Lamio albi-Conietum maculati Oberd. 1957- Urtico-Calystegieto sepium Gors et Mull. 1969 - Phragmitetum communis (Gams 1927) Schmale 1939. На основе геоботанического картографирования, выполненного по профилям, расположенным вдоль градиента влажности, количественно оценены изменения фитоценотической структуры растительности (табл. 3). Видно, что распространенность сообществ-фитоиндикаторов и их вклад в общее проективное покрытие травостоя закономерно изменяются по градиенту влажности. Зона высокой влажности диагностируется доминированием ассоциации Phragmitetum communis (Gams 1927) Schmale 1939, а на участках с интенсивным выпасом скота - Bidentietum tripartite W.Koch 1940.

Таблица 2

Характеристика влажности экотопа синантропных сообществ

Примечание. Hd - средневзвешенное значение по шкале влажности почв Д.Н. Цыганова, F - средневзвешенное значение по шкале влажности почв Х. Элленберга.

Таблица 3

Изменение фитоценотической структуры растительности по градиенту влажности почвогрунтов (Северный промышленный узел г. Гомеля)

Примечание. * - удельный вес площади сообщества в общем проективном покрытии растительности, в %. (указаны сообщества с удельным весом - более 5%).

Таким образом, синтаксоны эколого-флористической классификации Браун-Бланке (ассоциации и союзы) имеют существенное индикационное значения и могут широко использоваться для решения различных задач индикации влажности почвогрунтов в антропогенных ландшафтах, в том числе и при диагностике такого широко распространенного и опасного процесса, как подтопление. Как показывают наши исследования, для фитоиндикации пригодны рудеральные сообщества, которые достаточно широко распространены на городской территории и способны существовать при высоком уровне антропогенной нагрузки.

Литература

1. Галкин А.Н., Матвеев А.В., Жогло В.Г. Инженерная геология Беларуси. Основные особенности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий и история их формирования. - Витебск: Изд-во УО «ВГУ им. П.М. Машерова», 2006. 208 с.

2. Миркин Б.М. Закономерности формирования растительности речных пойм. - М.: Наука, 1974. 172 с.

3. Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Наука о растительности. - Уфа: Гилем, 1998. 412 с.

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

5. Соболев А.А., Носков И.В. Утечки из водонесущих коммуникаций и их влияние на эксплуатацию зданий г. Барнаула//Сергеевские чтения. Выпуск 5: Материалы годичной сессии. - М.: ГЕОС, 2003. С. 189-192.

6. Трацевская Е.Ю. Инженерно-геологические условия на территории города Гомеля. - Гомель: ГГУ, 2005. 210 с.

7. Цыганов Д.Н. Фитоиндикация экологических режимов в подзоне хвойно-широколиственных лесов. - М.: Наука. 1983. 196 с.

8. Braun-Blanquet J. Pflanzensociologie.-Wien - New York: Springer-Verlag, 1964. 865 S.

9. Ellenberg H. Zeigerwerte der Gefasspflanzen Mitteleuropas. - Gottingen: Goltze. 1974. 97 S.

10. Matuszkiewiecz W. Przewodnik do oznaszania zbiorowisk rуњlinnych Polski. - Warszawa: PWN, 1984. 298 S.

Размещено на Allbest.ru