Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Техногенез и трансформац ия биологических ресурсов 12
1.1 Растительные сообщества и их трансформация под действием антропогенных факторов
1.2 Восстановление биологических ресурсов техногенных ландшаф 19
тов
1.3 Растительные сообщества урбанизированных территорий 25
1.4 Трансформация биоресурсного потенциала агрофитоценозов 30
1.5 Формирование почвенных ресурсов на антопогенно-нарушенных землях
Глава 2 Физико-географические условия мест проведения исследований
2.1 Рельеф 42 2.2 Климат 45
2.3 Почвы 48
2.4 Растительность 49
Глава 3 Объекты и методы исследований 56
67 67
3.1 Объекты исследований 56
3.2 Методы исследований 60
Раздел 2 Результаты исследований и их обсуждение
Глава 4 Оценка возможности восстановления биологических ресурсов техногенно-нарушенных земель
4.1. Восстановление растительности на участках золотодобычи 67
4.2 Восстановление растительности в карьерах 78
Глава 5 Оценка состояния растительных ресурсов урбанизированной территории
113
5.1 Плотность зеленых насаждений в городе Благовещенске 88
5.2 Растительность парков и скверов в городе Благовещенске 91
Глава 6 Трансформация растительности агрофитоценозов при пере ходе их в залежи 115
6.1 Развитие растительного сообщества на залежах в зависимости от вида антропогенного воздействия и их возраста
6.2 Формирование на залежах сообществ луговых травянистых растений
6.3 Заселение залежей древесными и кустарниковыми растениями 146
Глава 7 Оценка биоресурсного потенциала антропогенно - нарушенных земель Амурской области
7.1 Биоресурсный потенциал техногенных ландшафтов в южнотаежной зоне Амурской области
183
7.2 Древесные и травянистые растения как биологический ресурс для создания комфортных условий проживания на урбанизированных территориях
7.3 Биологические ресурсы залежных земель южной сельскохозяйственной зоны Амурской области
Выводы 202
Список литературы
- Растительные сообщества урбанизированных территорий
- Результаты исследований и их обсуждение
- Восстановление растительности в карьерах
- Растительность парков и скверов в городе Благовещенске
Растительные сообщества урбанизированных территорий
Почва наравне с ресурсами земных недр, лесов, водных источников является национальным достоянием. Извлечь максимальную пользу от имеющегося потенциала возможно при осуществлении мер по предотвращению потерь и созданию условий для его возобновления [Слабко, 2002].
Одной из главных функций почвы по определению Д.Ю. Ступина [2009] является то, что она служит средой для производства биомассы, то есть растительных, биологических ресурсов. Одновременно почва сама по себе является источником сырьевых материалов (каолина, глины, гравия, песка, торфа) [Blum, 1990]. Почва служит физической основой для создания инфраструктуры – домов, промышленных предприятий, дорог. В Европе в настоящее время застроенные территории занимают 2% общей территории земли [Europes Environment, 1995].
С точки зрения восстановления биоресурсного потенциала антропогенно-нарушенных земель важна функция почвы как депо семян и других зачатков. Данная функция играет заметную роль во многих биоценотических процессах, в том числе и в восстановлении растительности на гарях, вырубках, залежах [Добровольский, 2006].
Ухудшение любой функции почвы снижает ее качество и ценность, а также способность обеспечивать основу для функционирования биогеоценозов.
Тесная связь растительности и почв была доказана еще В.В. Докучаевым [1949], а позднее подтверждена и развита многими зарубежными и отечественны ми исследователями [Fiher, 1928; Ткаченко, 1939; Вайчис, 1958; Tarrant, 1964; Гришина, 1974; Добровольский, 2006; Росликова, 2006]. С другой стороны растительность является важным, наряду с другими (климат, рельеф, материнская порода), фактором почвообразования [Карпачевский, 1977, 2005; Структурно-функциональная роль почв … , 2003; Кандрашин, 1979].
Считается, что почвы в техногенных ландшафтах формируются и эволюционируют под влиянием тех же естественных почвообразовательных процессов, которые действуют и в климаксных биогеоценозах [Экология и рекультивация … , 1992; Андроханов, 1997]. При выведении почвы из хозяйственного оборота нарушенное антропогенным воздействием строение профиля дрейфует к исходному генетическому состоянию [Ивонин, Прахов, 2000].
И.Б. Арчеговой с коллегами [Особенности изменения … , 2012] для условий таежной зоны республики Коми показано, что формирование и изменение почвы непосредственно связано с изменением типа растительного сообщества. При изучении залежных земель Центрального Черноземья Г.Н. Черкасовым с соавторами [2009] установлено, что в результате их эволюции происходит активизация дернового процесса, увеличение содержания свежего органического вещества и гумуса, лабильных гумусовых веществ и микробной массы, что способствует улучшению структурно-агрегатного состояния залежных почв по сравнению с пахотными.
Для условий северной тайги [Коронатова, 2010; Самойлова, 1983] отмечается, что уже на следующий год на антропогенно нарушенных землях поселяется растительность, последовательно проходящая стадии сукцессии. Материнскую породу можно рассматривать здесь как начальное состояние почвенной системы, то есть как почву в нулевой момент времени.
В разных вариантах агрогенных почв в результате регулярного распахивания и иных механических преобразований формируются новые естественно-антропогенные горизонты [Антропогенные почвы … , 2003]. Они отличаются от естественных почв структурной организацией почвенной массы и физико-химическими свойствами. Новый органо-минеральный пахотный горизонт под 37 разделяется на пахотный и подпахотный. Если под пахотным горизонтом сохраняются горизонты верхней части профиля, то почва классифицируется как агро-почва, или антропогенно-преобразованная [Росликова, 2010].
При изучении постагрогенной эволюции дерново-подзолистых почв [Макаров, 1984; Скворцова, 1987; Рубилина, Холопова,1987; Баранова, 1989; Кулинская, Скворцова, 1991; Кузнецова, 2009] установлено, что при оставлении этих почв в залежь, под лесной растительностью идет процесс восстановления свойств генетического профиля и для полного восстановления свойств целинной почвы необходимо более 120 – 170 лет.
Ф.Н. Лисицкий [2012] вообще считает, что временной интервал, за который процессы гумусонакопления и морфологической зрелости почвенного профиля становятся относительно равновесными, равен 1700 – 1900 лет.
На юге Дальневосточного региона изучению трансформации почв техногенных и урбанизированных ландшафтов посвящены работы Л.Т. Крупской и Е.В. Новиковой [1993], С.А. Шляхова [2002], Н.С. Шиховой [2005], Н.М. Костенкова и Л.Н. Пуртовой [2009, 2010], А.Н. Махинова с соавторами [Экологические последствия … , 2005; Махинов, Махинова, 2006, 2010], Л.Н Пуртовой [2010, 2011, 2013], И.В. Комачковой [Комачкова, 2012; Комачкова, Пуртова 2012].
Н.М. Костенковым и Л.Н. Пуртовой [2010], установлено, что в условиях Приморского края (Бикинская термодинамическая провинция) детальное картирование территории растительности отвальных пород и анализ морфолого-генетического строения более 35 профилей с различным временным периодом их формирования позволяют выделить (с определенной долей условности) 4 временные стадии формирования почвенного профиля: – начальная (инициальная) продолжительностью до 3 лет; – органо-аккумулятивная продолжительностью до 10 лет; – дерновая – до 15 лет; – гумусово-аккумулятивная – более 15 лет.
В Кузбассе проводились исследования процессов восстановления гумусного состояния техноземов на рекультивационных участках с разным уровнем мелио 38 ративного освоения (1, 3, 10 и 20-летнего воздействия многолетних трав) на угольном разрезе, где предусматривается предварительное снятие и хранение в буртах плодородного слоя почвы. При такой технологии эксплуатации и хорошей агротехнике уже на третий год удастся повысить содержание органического вещества до уровня распаханного чернозема выщелоченного, а за 10 – 20 лет до уровня чернозема, находящегося под естественной растительностью [Гумусооб-разование в техногенных ... , 1986; Манаков, 1997; Андроханов, 2004].
В Институте географии СО РАН [Напрасникова, 1997] изучались выровненные рекультивируемые земли под фитомелиорирующей растительностью без нанесения плодородного слоя почвы. Показано, что через восемь лет под светлох-войными породами (сосна, лиственница, черемуха), кустарниками (ива) уже восстанавливаются структура и функции микробоценозов, а также биохимическая активность молодой почвы. В этот же период под хвойными насаждениями формируется подстилка мощностью в среднем до 1 см. Делается вывод, что данные фитомелиоранты вполне целесообразны при рекультивации земель в условиях лесостепи Назаровской котловины (Красноярский край). Отмечается, что и на самозарастающих отвалах среднего возраста (6 лет) под бобово-злаковыми ассоциациями прослеживается формирование морфологически выраженного гумусового горизонта мощностью 1,0 – 1,2 см. Изучая биологические характеристики почвог-рунтов многолетних отвалов алмазодобывающей промышленности Якутии А.А. Данилова с соавторами [Биологическая характеристика … , 2011] пришли к выводу о низкой биологической эффективности упрощенной схемы рекультивации.
Результаты исследований и их обсуждение
Практически по всему скверу нет кустарниковых пород. Зеленое насаждение в этом сквере сформировано рядами из сосны обыкновенной и вяза мелколистного вдоль склона. Расстояние между рядами три метра, между деревьями в ряду до 4 метров. Разрывов между лентами не прослеживается. На склоне насаждение сформировано в один ярус. На ровных (выположенных) участках на вершине и у подножья черемуха обыкновенная, яблоня маньчжурская и ивы формируют второй ярус.
Состояние древесной растительности в этом сквере оценивается как «хорошее». Больных и погибших деревьев не отмечено. Фаза развития – «сбрасывание сучьев» [Погребняк, 1988], что характеризует его, как относительно молодое насаждение (сквер закладывался в середине 50-х годов прошлого века). Диаметр стволов вяза и сосны варьирует от 10 до 40 см. Густота насаждения высокая – от 1000 до 2400 шт./га (средняя 1300 шт./га).
Травянистая растительность под пологом древесных насаждений представлена крайне скудно, степень проективного покрытия травянистой растительностью невысока.
На склоне (особенно под соснами) травянистых растений вообще нет, очевидно, из-за смыва осадками. Здесь отсутствует листовой опад. Поверхность оголена, почвенный профиль не сформирован. Это участки с высокой эрозионной опасностью, что подтверждается наличием глубоких рытвин, образующихся в местах тропинок, идущих поперек склона. На выровненных участках, расположенных на вершине и у подножья, травянистая растительность присутствует, но из-за сомкнутости крон степень проективного покрытия низкая.
Сквер на территории Всероссийского научно исследовательского института сои представляет интерес еще и потому, что расположен в непосредственной близости от пустыря. Эти два элемента городской территории до определенного времени имели общую историю развития и изначально представляли собой элемент пойменно-лугового биоценоза с характерной для него растительностью. В 1976 году этот элемент природной среды расчленили на два. На одном из них началось строительство административно-лабораторного здания института, ввод которого в эксплуатацию произошел в 1978 году. В этом же году начинается благоустройство территории, примыкающей к нему. А другой участок с этого момента начинает превращаться в пустырь, испытывая все возрастающее антропогенное воздействие. В результате получилось два, совершенно отличных друг от друга и от естественной природной среды участка селитебной территории (рис.20).
Космический снимок (2008 г.) пересечения улиц Воронкова и Игнатьевского шоссе в городе Благовещенске
При строительстве института, из-за болотистого характера местности, территория, отведенная под строительство, была отсыпана грунтом, в состав которого преимущественно входил строительный мусор. Через 5 – 10 лет после начала освоения данной территории вокруг участков сложилась типичная для селитебно-промышленной зоны среда. Пустырь ежегодно, а зачастую 2 раза в год (весной и осенью в периоды засухи) выжигается пожарами (рис. 21).
На момент начала исследований (2003 г.) возраст растительных сообществ можно оценить в 25 лет. За это время оба участка испытывают возрастающее антропогенное воздействие, к ним все ближе подходит городская застройка.
Вдоль улиц, обрамляющих пустырь, в свое время были высажены деревья. На Игнатьевском шоссе аллея тополя душистого (Populus suaveolens) (возраст более 40 лет). На ул. Воронкова аллея тополя черного (Populus nigra) и вяза мелколистного (Ulmus pumila) (возраст 25 лет). повидимому, появилась в результате самосева. Сам пустырь практически не заселен деревьями. Встречаются единичные, одно – двух летние побеги ив (Salix hastate, Salix caprea). Всего на пустыре произрастает порядка 30 видов растений (табл. 17).
Восстановление растительности в карьерах
В отличие от вяза мелколистного более привлекательной декоративной внешностью обладают клены. Стволы этих деревьев стройные, в молодом возрасте светлые, хорошо переносят обрезку [Недолужко, 1987].
Клен (Acer L.) – род древесных и кустарниковых растений семейства Кл-новые (Aceraceae Juss. Широко распространен в Европе, Азии и Северной Америке. Большинство видов клна деревья 10 – 40 м высотой. Клен весьма декоративен. Ценится в декоративном садоводстве и паркостроении за красоту кроны, зимний цвет коры, ажурную листву, яркий осенний наряд. Почти все виды используются как декоративные породы [Жилин, 1981; Встовская, 2010].
В городских насаждениях Благовещенска произрастает клен негундо (Acer negundo L.) (рис. 35 а). Клены присутствуют и в уличных аллеях и во дворах, особенно в районах новостроек. В.А. Недолужко [1978] отмечает, что этот вид имеет свое происхождение из Северной Америки и был завезен в качестве озеленительной, декоративной культуры, нередко дичает и распространяется в окрестные леса. Н.А. Тимченко [2012] приводит данные о присутствии в пределах городской территории Благовещенска представителей местной флоры – клена приречного (Acer ginnala Maxim.) и клена мелколистного (Acer mono Maxim.), а также интро-дуцированных видов клена зеленокорого (A. tegmentosum Maxim.) и клена желтого (A. ukurunduense Trautv. еt Mey.).
В районах новостроек города Благовещенска часто встречаются деревья ясеня маньчжурского (Fraxinus mandshurica Rupr.) (рис. 35 б).
Ясень (Fraxinus L.) – род быстрорастущих листопадных растений семейства Маслиновых (Oleaceae Hoffmgg. еt Link). Некоторые виды ясеня дают хорошую древесину, используются как декоративные или для озеленения [Стрижв, 1981].
Для ясеня маньчжурского (Fraxinus mandshurica) характерна тонкая опушенная кора, желтовато-зеленые молодые побеги с супротивными непарноперистыми листьями, мелкие ветки в метелках или кистях и крылатый плод (крылатка) [Недолужко,1991]. В городских посадках растения ясеня не старше 20 лет. Деревья имеют хороший декоративный вид. Кора стволов этих деревьев выглядит привлекательно. При обследовании старых, заброшенных скверов обнаруживаются молодые деревья ясеня, выросшие из семян, разнесенных либо ветром, либо птицами, то есть в городских условиях ясень успешно возобновляется.
Несмотря на то, что березы не входят в ассортименты, рекомендуемые при проведении озеленительных работ [Кочарян, 1999], два вида берез – береза даурская (Betula davurica Pall.) и плосколистная (B. platyphylla Sukacz.) присутствуют в зеленых насаждениях города. В городских посадках преобладает береза плоско-листная.
Береза (Betula L.) – быстрорастущее, листопадное, высокое дерево, принадлежит к семейству березовых (Betulaceae S. F. Gray). Род Betula объдиняет 120 видов, занимает 13% площади всех лесов России [Зубов, 1971; Корчагина, 1980]. В природе береза удивительно жизнестойка. Ствол березы защищен берестой (защитным покровом), которая состоит из множества мертвых пустых клеток, крепко склеенных друг с другом. Благодаря этому береста, как и пробка, непроницаема для воды и газов. Береста не у всех видов имеет белый цвет, существуют деревья с берестой желтого, темного или почти черного цвета [Данченко, Трофи-менко, 1993]. В.А. Недолужко и А.К. Скворцов [1995] отмечают, что у берез с белой корой более привлекательный, эстетический вид. Поэтому их чаще и вовлекают в зеленые насаждения.
В условиях урбанизации в сравнении с внешним видом этого дерева в естественной среде, где она отличается стройным стволом, гладкой и чистой корой в городских посадках отмечаются «изъяны» строения ствола, коры и кроны деревьев. В городских посадках наблюдается искривление ствола у берез. У многих берез кора покрыта черными пятнами, особенно в местах прикрепления ветвей. Кора у белокорых берез в городе, как правило, не является гладкой. Черные выросты и отслоения наблюдаются по всему стволу. Известно, что кора для березы, как и для других деревьев, играет очень важную жизненную функцию. Травмирован-ность коры достаточно часто наблюдаемый дефект состояния деревьев березы плосколистной в городе. Это проявляется в образовании «выворотов» в местах обломанных веток (рис. 36 а). Деревья с такими дефектами встречаются часто. Другой дефект возникает, когда уже люди сдирают кору с дерева (рис. 36 б).
У деревьев березы плосколистной в городских насаждениях наблюдаются в большом количестве сухие ветки. Встречаются мертвые, засохшие деревья. Среди них отмечаются как молодые деревца, так и старые, взрослые деревья. Все это указывает на плохую приспособленность берез к антропогенным нагрузкам и крайне низкую степень ухода за насаждениями в городе.
Такое состояние берез в городских насаждениях объясняется тем, что береза очень светолюбива и требовательна к почвенной влаге, страдает от уплотнения почвы, плохо переносит пересадку и обрезку.
Может быть именно потому, что березы достаточно чувствительны к антропогенной нагрузке они могут служить биологическим индикатором состояния урбанизированной территории. Береза плосколистная произрастает как в городе, так и в пригородных лесах. Сравнивая определенные морфологические показатели этих деревьев в городе и за его пределами можно установить некие критерии экологического благополучия территории.
У листьев березы плосколистной наблюдаются правая и левая асимметрии. В первом случае, правая половина листа больше левой, а в другом наоборот. Для деревьев, произрастающих в городе, установлено оба этих вида асимметрий. За городом у всех отобранных листьев наблюдалась только левая асимметрия. По-видимому, это зависит от места произрастания деревьев и основной фактор, определяющий тип асимметрии у листьев конкретного дерева это направление освещенности, создаваемое зданиями. Изучение коррелятивных зависимостей различных показателей размера листьев показали, что коэффициент корреляции между большой и малой осями листа колеблется от 0,9 (сильная корреляция) до 0,3 (слабая коррелятивная связь) без каких – либо закономерных различий и поэтому не может являться индикатором состояния среды.
Растительность парков и скверов в городе Благовещенске
Нашими исследованиями подтверждено, что береза плосколистная (Betula platyphylla) действительно чувствительна к антропогенной нагрузке и плохо приживается на урбанизированной территории, но может успешно служить биологическим индикатором состояния урбанизированной территории. Используя метод оценки по показателю флуктуирующей ассиметрии листовой пластины этого дерева можно судить об уровне антропогенной нагрузки на территории города в целом и отдельных его частях.
Не исследована возможность введения в культуру березы ребристой (Betula costata) – вида, имеющего широкий ареал в Амурской области. По внешним признакам данный вид березы декоративен. Это достаточно крупное дерево. Желтая береза в сводке «Дикорастущие деревья и кустарники Дальнего Востока» [ 1968] заслуживает широкого использования с целью разнообразия ассортимента парков и лесопарков. По некоторым оценкам этот вид хорошо смотрится в чистых и групповых сквозистых посадках на освещенных местах [Зарудная, Минкевич, 1977; Зубов, 1971; Илькун, 1978].
Учитывая сложные климатические условия территории, на которой расположен город Благовещенск, в зеленое строительство могут быть вовлечены виды, уже показавшие свою устойчивость к местным условиям. К таковым следует отнести представителей сорной, рудеральной травянистой растительности. Как отмечает Е.В. Аистова [2007] среди сорных и адвентивных растений ценными являются виды, которые образуют устойчивые популяции, часто встречаются и имеют возможность дальнейшего практического применения в качестве декоративных и лекарственных. В мировой практике считается, что использование сорняков, является передовым методом садового дизайна, так как сорные растения лучше переносят засуху, переувлажнение, меньше поедаются насекомыми и обладают эстетичностью [Stevens, Brinkman,1986; Минаева, 1991; Kozowski, 1997;
Великотная, 2002; McGuan, 2004; Рекомендации по технологии … , 2005]. Поэтому объектами для введения в культуру (как декоративные) являются растения ан-тропохорного типа, произрастающие на рудеральных местообитаниях и приобретающих генетико-экологические особенности приспособления к сильной инсоляции, быстрой регенерации при повреждениях [Parkash, 1994; Utelli, 1995].
Среди сорных, рудеральных растений, произрастающих в городских насаждениях бекмания восточная (Beckmannia syzigachne) и овсяница красная (Festuca rubra) представляют интерес для вовлечение их в травосмеси для создания газонов.
Некоторые другие виды рудеральных травянистых растений могут быть использованы как декоративные цветочные культуры. К ним следует отнести гравилат алеппский (Geum aleppicum), лапчатку гусиную (Potentilla anserina), пепельник Кириллова (Tephroseris kirilovii), дербенник иволистный (Lythrum salicaria), борщевик рассеченный (Heracleum dissectum), ломонос бурый (Clematis fusca), купену приземистую (Polygonatum humile). Эти виды зарекомендовали себя как адаптированные к почвенно-климатическим условиям урбанизированной среды и не требуют дополнительных исследований.
На землях бывших агрофитоценозов в южной сельскохозяйственной зоне Амурской области к 16 годам их существования формируются сообщества луго вых травянистых растений, количество видов в которых достигает 180 наименований. Среди них отмечены травянистые растения которые находят ши рокое применение в официнальной и народной медицине.
Из общего количества обнаруженных на залежах растений 11 применяется в официнальной медицине в качестве лекарственного сырья. Китайская научная медицина использует 15 видов и 60 народная Русская медицина. Учитывая то, что большинство растений, произрастающих на залежных землях в состав фитоцено-зов входят как не очень обильные и единичные возникают сомнения их эффективного использования как биологических ресурсов для медицинского применения. Речь может идти о использовании этих растений для создания банка семян и другого посадочного материала для последующего их выращивания в промыш 201 ленных целях. Тем более, что в последние годы наблюдается тенденция к сокращению площади залежных земель в области, за счет их распашки и вовлечения их в хозяйственный оборот. При этом возникает серьезная проблема поиска приемлемых альтернатив монокультуре сои. Лекарственные растения, самосевом заселяющие залежные земли, и пройдя таким образом естественную, природную адаптацию к местным условиям могли бы стать неплохим компонентом многолетних трав в полевых севооборотах, которые в современной структуре посевных площадей совершенно не соответствуют научно-обоснованным системам земледелия [Система земледелия … , 2003; Емельянов, 2008].
На залежных землях южной сельскохозяйственной зоны Амурской области произрастают растения представляющие интерес не только как ресурс лекарст венного сырья, но и как ресурс сохранения видового богатства территории. К та ким ресурсам принадлежат растения, отнесенные к категории редких и сокра щающих численность [Красная книга … , 2008]. По определению Д.И. Люри с соавторами [Динамика сельскохозяйственных … , 2010] именно такие растения представляют собой генетический ресурс сохранения биологического разнообразия. На залежных землях в Благовещенском районе таких растений нами обнаружено 14 видов. Это обстоятельство еще сильнее повышает роль залежных земель как источника биологических ресурсов, требующих особых подходов при их использовании и охране.
