Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объекты и методы исследования 8
1.1. Характеристика природных условий г. Томска и объектов исследования 8
1.2. Методика изучения растительных сообществ водоемов и среды их обитания 34
Глава 2. Изменение растительных сообществ водоемов в условиях городской среды 45
Глава 3. Характеристика растительных сообществ водоемов г. Томска 55
3.1. Состав и структура 55
3.2. Экологическая характеристика 62
3.3. Фитомасса основных формаций 70
3.4. Распределение растительных сообществ в водоемах 72
Глава 4. Анализ изменения растительных сообществ водоемов в условиях г. Томска 103
4.1. Сукцессии растительных сообществ 103
4.2. Анализ воздействия антропогенных факторов на экологический состав и продукционные характеристики растительных сообществ 129
4.3. Прогноз экологического состояния водоемов г. Томска в связи с динамикой растительных сообществ 134
Выводы 140
Список использованной литературы 142
Приложение
- Характеристика природных условий г. Томска и объектов исследования
- Изменение растительных сообществ водоемов в условиях городской среды
- Состав и структура
Введение к работе
Актуальность проблемы
Водные объекты являются важной составляющей современной городской среды. Городские водоемы имеют комплексное значение и помимо разнообразных хозяйственных функций играют важные природоохранные, эстетические и рекреационные роли. Учитывая опасность загрязнения, особую актуальность приобретает контроль качества городских водоемов.
Оценку состояния водных объектов в условиях городской среды должен обеспечивать постоянный экологический контроль, по результатам которого вводятся ограничения использования акваторий и водосборов. В настоящее время мониторинг ведется эпизодически на основе гидрохимических анализов воды. Эти данные не позволяют дать интегральную характеристику качества среды. Кроме того, методы химических и физических анализов требуют значительных материальных и временных затрат. Это обуславливает необходимость использования более эффективных показателей, позволяющих получить комплексную экспресс-оценку экологического состояния водного объекта.
Существование водных экосистем, расположенных на городских территориях, во многом связано с характером растительных сообществ, которые в большинстве случаев определяют газовый и солевой состав воды и обеспечивают первичную продукцию водных объектов. Фитоценозы водоемов чутко реагируют на изменения экологических условий, в том числе, и со стороны антропогенного фактора. Исследованию этих вопросов посвящены работы Н.М. Кабанова (1962), В.А. Абакумова (1977), В.И. Матвеева (1977), А.В. Щербакова, Н.М. Мингазовой (1988), Д.В. Дубыниной, Ю.Р. Шеляг-Сосонко (1996), В.Д. Казмирука (2000) и ряда других ученых.
На территории Томской области исследования растительных сообществ водоемов в связи с различными экологическими условиями проводились
Б.Г. Иоганзеном (1971), ЕЛ. Прокопьевым (1975), Н.Ф. Вылцан (1980), Г.С. Тараном (1995). Растительность некоторых озер г. Томска была изучена А.И. Якубовой (1951), однако до настоящего времени исследование динамики растительных сообществ водных объектов в условиях г. Томска не проводилось.
Актуальность данной работы обусловлена возможностью использования данных об изменении растительных сообществ для оценки экологического состояния городских водоемов.
Цель и задачи исследования
Целью данной работы является изучение динамики растительных сообществ водоемов в условиях городской среды на примере г. Томска.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Изучить состав и структуру растительных сообществ водоемов г. Томска.
Провести анализ изменений растительных сообществ в условиях города.
Изучить тенденции сукцессии растительных сообществ водных объектов за период с 1938 по 2005 гг.
Дать прогноз экологического состояния водоемов г. Томска.
Защищаемые положения:
Состав, распределение и структура растительных сообществ в условиях города определяются не только морфологическими, гидрологическими особенностями водоемов, но также характером и интенсивностью антропогенного воздействия.
Сукцессия водных экосистем в условиях городской среды выражается в изменении состава и зонального расположения растительных сообществ.
Научная новизна
Впервые дано описание растительных сообществ 7 водоемов г. Томска, фитоценозы 5 водных объектов изучены с позиции современного уровня урбанизации. Составлена классификация и выявлено ценотипическое разнообразие растительных сообществ водоемов. Определена надземная
6 фитомасса 8 растительных формаций. Впервые для водоемов г. Томска приведены результаты изучения динамики растительных сообществ, охватывающие период 65 лет. Проведена экологическая оценка состояния водоемов г. Томска на основе характеристики фитоценозов.
Практическая значимость
Результаты исследований могут быть использованы для разработки рекомендаций по эксплуатации городских водоемов и их водосборов в различных целях: организации особо охраняемых территорий, парков, зон рекреации, цветоводства и других сфер человеческой деятельности. Полученные данные дают возможность рекомендовать водоемы для городского строительства в качестве экодизайна.
Результаты проведенных исследований позволяют выделить индикаторные растительные сообщества, по структуре и характеру распределения которых можно судить об экологическом состоянии городских водоемов.
С увеличением темпов урбанизации практическую значимость приобретают результаты изучения сукцессии растительных сообществ водоемов. Эти данные позволяют прогнозировать экологическое состояние водных объектов, что в итоге способствует оптимизации экологической обстановки города.
Апробация работы
Основные положения диссертации были доложены на III российско-монгольской научной конференции «Алтай: экология и природопользование» (Бийск, 2004), XLII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2004), V Всероссийской конференции «Энергия молодых - экономике России» (2004), Всероссийской конференции с международным участием «Экологическая политика и университетское образование» (Томск, 2005), Международной научно-практической конференции «Лесопользование, экология и охрана
лесов: фундаментальные и прикладные аспекты» (Томск, 2005), «Проблема экологической безопасности и природопользования в Западной Сибири» (Томск, 2005), VI Всероссийской школе-конференции по водным макрофитам «Гидроботаника: методология и методы» (ИБВВ РАН, пос. Борок, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликовано восемь работ, одна - в печати, в том числе, одна - в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы, включающего 219 источников, в том числе 3 - на иностранных языках. Работа изложена на 165 страницах, содержит 18 таблиц, 55 рисунков, 9 приложений.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору А. М. Адаму за помощь. Автор крайне признателен к.б.н. Н.В. Гориной за ценные советы и поддержку в выполнении данной работы. Слова благодарности Н.В. Курбатской, Б.Ф. Свириденко и А.Л. Эбелю за помощь в проверке и определении видов растений водоемов. Слова признательности всем сотрудникам кафедры экологического менеджмента Томского государственного университета за помощь и моральную поддержку.
Характеристика природных условий г. Томска и объектов исследования
Исследования проводились на территории г. Томска (рис. 1.1). Географически места работ расположены на юго-востоке Томской области (56 с.ш. и 85 в.д).
Своеобразие природных условий г. Томска определяется разнообразными по составу и возрасту массивами лесов и специфичной природно-климатической обстановкой, характеризующейся резкими сменами сезонов года, суровой продолжительной зимой, преобладанием ветров южной и юго-западной ориентации (Косова, 1999).
Территория города Томска по площади превышает 25 000 га (Кирпотин, 2002). Характерно чередование промышленных, жилых районов города и зеленых насаждений. Наибольшая плотность застройки - в центре города (25 -30%), наименьшая в северо-западных и северных его частях (10 - 12%) (Мерзлякова, 2001).
Природные условия г. Томска изучены достаточно хорошо (Евсеева, 2001; Земцов, 1988; Иоганзен и др., 1951; Кирпотин, 2002; Косова, 1990, 1993, 1999; Кузнецов, 1937; Маслеников, 1939; Мерзлякова, 2001; Пяк, 2000; Рожанец, Рожанец-Курчавская, 1928; Трифонова и др., 1982; Якубова, 1947 и др.). Поэтому в работе отражены лишь те особенности природно-климатических условий района исследования, которые по нашему мнению, наиболее важны для формирования растительных сообществ водоемов.
Рельеф и почвы. В орографическом отношении г. Томск является участком Западно-Сибирской низменности. Здесь расположено сочленение Колывань-Томской складчатой зоны и Кузнецкого Алатау (Косова, 1999).
Река Томь делит окрестности города на две различные по рельефу части: возвышенную и изрезанную правобережную и пониженную, равнинную -левобережную (Иоганзен и др., 1951).
Пойма р. Томи на правом берегу узкая, относительная высота равна 3 - 4 м. Сложена разнозернистым песком светло-серого и серого цвета с гравием и галькой. Пески перекрываются иловатыми суглинками и супесями. Высокая пойма р. Томи не заливается полыми водами с 1969 г. (Таран, Евсеева, 1997). В результате строительства дамбы и антропогенных отложений (1,5 - 3 м высотой) часть поймы правобережья реки на городской территории превратилась в техногенную террасу, поскольку по высоте она слилась с первой надпойменной террасой (Косова, 1999).
В районе города выделяется четыре террасы. Первая надпойменная терраса распространена по правому берегу вдоль долины р. Томи от устья р. Басандаики до устья р. Киргизки. Вторая надпойменная терраса ровная пологоволнистая, в понижениях террасы проявляются процессы заболачивания. Третья надпойменная терраса протягивается по междуречью рек Ушайки и Киргизки. Четвертая надпойменная терраса расположена в пределах г. Томска и занимает значительную часть междуречий рек Ушайка - Киргизка и Томь -Ушайка.
На левобережье р. Томи имеются ложбины древнего стока с четко выраженными болотами. Песчаные отложения, заполняющие ложбину, неоднократно перевивались ветром, в результате образовались дюны и бугристые пески, поросшие сосновым бором. В ложбины врезаны долины левых притоков р. Томи - рек Черной и Кисловки. В междуречных понижениях местами сохранились реликтовые озера. Часто встречаются вытянутые заболоченные понижения, нередко заполненные мощными торфяниками (Земцов, 1988).
Климат района исследования - умеренно-теплый и влажный, осадки значительно превышают испарение (на 100 мм), а суммы температуры более 10С составляют 1 850 (Григорьева, Будыко, 1959).
Территория, на которой расположен г. Томск, характеризуется переходным климатом от умеренно-континентального Русской равнины до континентально-циклонического Восточной Сибири. Разность между приходом и расходом лучистой энергии формирует радиационный баланс подстилающей поверхности. В г. Томске радиационный баланс отрицателен с ноября по март, максимальные его значения отмечаются в июне - июле и составляют 7-8 ккал/см2 мес. (293 - 335 МДж/м2).
Лето в г. Томске умеренно теплое, влажное. Средняя максимальная температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца (июль) + 24,2С. Зима - умеренно суровая, снежная. Средняя минимальная температура наружного воздуха наиболее холодного месяца (январь) равна 19,1 С (Косова, 1999). Средняя годовая температура воздуха в г. Томске составляет -0,6С (Евсеева, 2001).
Изменение растительных сообществ водоемов в условиях городской среды
Урбанизация является одной из наиболее глубоких, активных и комплексных форм антропогенного воздействия на природные объекты, особенно сильно это проявляется по отношению к водоемам (Сохранение природной экосистемы водоема..., 1994). Один из основателей урбоэкологии Г. Зукопп (1981) показал, что на территории городов значительно изменены поток энергии и круговорот веществ по сравнению с естественными экосистемами.
В результате процесса урбанизации природных территорий многие водные объекты оказались в пределах городской черты и подверглись антропогенному воздействию, особенностями которого является мозаичность и разнотипность влияния на структурно-функциональные характеристики биоты. Основными факторами, определяющими специфику функционирования водных экосистем в условиях города, являются: эвтрофирование, различные формы загрязнения, нарушение природных процессов круговорота органического вещества, проходящих на водосборе, а также преобразование формы озерной котловины и гидрологического режима (Водогрецкий, 1990; Куприянов, 1977). Опасность антропогенного воздействия на городские водоемы заключается в том, что особые условия организации урбанизированных зон не позволяют устранить это негативное воздействие (Сохранение природной экосистемы..., 1984).
В настоящее время возрос интерес к изучению компонентов водных экосистем в качестве показателя их экологического состояния. Исследования отечественных и зарубежных ученых показали, что растения водоемов чутко реагируют на антропогенное воздействие (Абакумов, 1977; Березовская, 2002; Блинова, 1994; Бурдин, Золотухина, 1998; Гриб, Горховская, 2001; Денисова, 1988; Дубынина, Шеляг-Сосонко, 1996; Житков, 1981; Кабанов, 1962;
Казмирук, 2000; Клочкова, 1998; Коган, 1980; Козловская, Козловская, 2001; Крюкова, 1999; 2000; Мусиенко, Федорчук, 2005; Мяэметс, 1980; Пастухова, 1978; Распопов, 1992, 2001; Свидерский, 2002; Семин, Фрейдлинг, 1983; Смагин, 1984а, 19846; Токарь, 2005; Фрейдлинг, 1998; Чинкина, 2000; Kennison etal., 1998; Wade, 1999, и др.).
В последнее время увеличивается количество публикаций, содержащих материал о растениях городских водоемов. В литературе имеются данные о флоре и растительности водоемов городов: Воркуты (Вехов, 1993), Каргаполья (Вехов, 1997), Томска (Якубова, 1951; Иоганзен и др., 1951; Мерзлякова, 1997; Суханова, 2006), Омска (Буданова, 2003), Семипалатинска (Троицкая, 1955), Хабаровска (Павленко, 1972), Воронежа (Бугреева, Хлызова, 1997), Киева (Балашов и др., 2000; Зуб и др., 2000; Клоченко и др., 2006), Сургута (Романова, 2003), Самары (Соловьева, 2006), Карабаш (Куянцева и др., 2006), городских водоемов Мазурского приозерья (Чечерска, 2004), Нижнего Новгорода (Гелашвили и др., 2005), городов Удмуртской Республики (Капитонова, 2006).
Растения используются в качестве показателей экологического состояния различных типов водоемов: озер (Горлова, 1992; Зарубина, 1998; Покровская, 1975; Распопов, 1992), прудов (Гладышев, и др. 2001; Груздева, 2001), рек и ручьев (Бобров, Чемерис, 2001; Гриб, Гороховская, 2000; Нашу et al, 2002; и др.), водохранилищ (Бреховских, и др. 2001; и др.) и даже водопроводных систем (Макушенко, 2003).
Несмотря на то, что в литературе имеются достаточно полные материалы о флористическом и ценотипическом изучении водоемов, в то же время вопрос об изменении растительных сообществ в условиях городской среды изучен недостаточно.
Изучение реакции растений и образованных ими сообществ на антропогенное воздействие послужило причиной возникновения нового направления мониторинга - фитомониторинга водоемов (Вейсберг, 1998; Распопов, 2001). Уже при визуальном осмотре водоема по составу и распределению в нем растительности можно составить заключение об уровне его загрязнения (Абакумов, 1977).
В экологическом мониторинге водоемов И.М. Распопов (2001) выделяет два аспекта: мониторинг водного объекта по показателям состояния высшей водной растительности и мониторинг состояния самой растительности в конкретном водоеме.
Благодаря способности накапливать различные вещества антропогенного происхождения водные и прибрежно-водные растения могут выполнять функцию носителя информации о регулярном загрязнении водоема, что может быть не зарегистрировано при отсутствии постоянных гидрохимических наблюдений. Это делает возможным использование растений для долговременной индикации природной среды (Распопов, 1992).
Состав и структура
Характеристика состава растительных сообществ водоемов, включая в себя различные экологические компоненты, позволяет оценить состояние водного объекта в наиболее интегрированном виде, чем отличается от популяционных исследований отдельных видов.
Для характеристики фитоценозов водоемов г. Томска по результатам полевых исследований был составлен список видов растений (приложение 5), входящих в состав растительных сообществ.
Флора водоемов г. Томска состоит из 62 видов растений, относящихся к 47 родам, 31 семейству, 3 отделам. Ведущее положение по количеству видов занимают цветковые растения (95,2%). Среди них на долю однодольных приходится 34 вида, 22 рода, 13 семейств (табл. 3.1). Преобладание однодольных растений является особенностью флоры всех типично водных объектов (Папченков, 2001).
В составе флоры исследованных водоемов выявлено 2 вида растений, занесенных в Красную книгу Томской области (2002): Nuphar pumila (Timm) Cd. и Nymphaea tetragona Georgi.
Для определения фитоценотипического разнообразия изученых водоемов выявлен состав растительных сообществ, совокупность которого состоит из 49 ассоциаций, входящих в 32 формации. Обобщающим результатом выявления разнообразия фитоценозов является классификация растительного покрова водоемов г. Томска (приложение 6) и краткая характеристика растительных сообществ (приложение 7).
В ходе проведенных исследований установлено, что класс формаций гидатофитной растительности включает 44,9% ассоциаций от общего количества сообществ, класс формаций гелофитной растительности - 56,2% соответственно (табл. 3.2).
Воздушно-водная растительность состоит из 27 ассоциаций и 18 формаций (на одну формацию приходится 1,50 ассоциаций). Класс формаций настоящей водной растительности включает 22 ассоциаций в составе 14 формаций (на одну формацию приходиться 1,57 ассоциаций).
Наиболее разнообразной по количеству ассоциаций является формация с доминированием Butomus umbellatus L., которая включает 5 ассоциаций. Формации с доминированием Spirodella polirrhiza и Sagittaria sagittifolia включают по 3 ассоциации, остальные формации, образующие растительный покров исследованных водоемов, состоят из 1 - 2 ассоциаций. Распределение растительных сообществ по каждому водоему представлено в приложении 8.
Таким образом, для состава фитоценозов водоемов г. Томска, по абсолютному числу растительных сообществ, характерно преобладание воздушно-водной растительности, наибольшего разнообразия достигает формация с доминированием растений переходных экотопов - гелофитов.
Разнообразие растительных сообществ исследованных водоемов уменьшается в ряду: пойменные озера-старицы (8-19 ассоциаций) -материковое озеро (12 ассоциаций) - террасовые озера-старицы (8 - 10 ассоциаций) - искусственные водоемы (1-3) (табл. 3.3).
Снижение разнообразия растительных группировок в обозначенном выше ряду объясняется различием экологических условий, характерных для этих озер. Так, гидрологический режим пойменных водоемов благоприятно сказывается на развитии растительного покрова. В этих озерах сохранились экотопы, которые могут занимать как сообщества настоящих водных растений, так и воздушно-водная растительность.
