Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 7
1.1. История изучения флоры и растительности городов 7
1.2. Экологическая характеристика урбанизированной среды 11
1.2.1. Экологические факторы климатической группы 11
1.2.2. Экологические факторы эдафической группы 17
1.2.3. Орографическая группа экологических факторов 19
1.2.4. Биотические факторы 20
1.3. Особенности урбанизированной флоры 21
2. Историко-эколого-географическая характеристика г. Тюмени 29
2.1. История города 29
2.2. Физико-географическая характеристика 30
2.3. Экологическая ситуация в г. Тюмени 40
3. Методика исследования 44
4. Результаты исследования и их обсуждение 56
4.1. Современное состояние флоры г. Тюмени 56
4.1.1. Систематический анализ 56
4.1.2. Ботанико-географический анализ 60
4.1.3. Анализ флоры по отношению к условиям увлажнения 64
4.1.4. «Беглецы из культуры» в составе адвентивной флоры г. Тюмени .65
4.2. Сравнительная характеристика исторической и современной флор г. Тюмени 67
4.3 .Пространственное распределение современной флоры г. Тюмени 76
4.3.1. Систематическое разнообразие флоры в зонах застройки 91
4.3.2. Распределение хорологических групп по историческим зонам 98
4.3.3. Пространственное распределение экологических групп травянистых растений 100
4.3.4. Участие сорных видов во флоре исторических зон 102
4.3.5. Анализ активности видов в модельных выделах 104
4.4. Редкие и исчезающие виды растений во флоре г. Тюмени 106
4.5. Флористические находки в г. Тюмени 115
ВЫВОДЫ 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
ПРИЛОЖЕНИЕ 153
- Экологические факторы эдафической группы
- Экологическая ситуация в г. Тюмени
- Пространственное распределение экологических групп травянистых растений
Введение к работе
Актуальность темы. Хозяйственная деятельность человека, ставшая в последнее столетие особенно интенсивной, вызывает широкомасштабные и часто необратимые изменения флоры и растительности. Сегодня невозможно остановить процессы антропогенной трансформации растительного покрова, за которыми кроется опасность утраты биологического разнообразия, чреватая потерей стабильности экосистем и биосферы как глобальной экосистемы. Изучение реакции флоры и растительности на антропогенные воздействия способно подсказать пути и средства минимизации их негативного влияния на биосферу. Определяя некоторые перспективные направления развития флористических наук в XXI веке, Б.А. Юрцев (2000) отмечал, что неизбежно ещё большее внимание исследователей будет привлекать формирование флор антропогенных экотопов и ландшафтов.
Наиболее интенсивно влияние человеческой деятельности на окружающую среду проявляется в городах. Особенно актуально исследование флоры городов Западной Сибири, где темпы разрушения фитоценозов вследствие урбанизации заметно превышают скорость накопления знаний об этих процессах (Седельников и др., 1992; Седельников, 1997). Планомерные работы по изучению флор западносибирских городов начались лишь в последнее десятилетие XX века и сосредоточены, главным образом, в областных центрах - Курган, Омск, Новосибирск, Томск. Сведения об урбанофлорах Тюменской области отрывочны и известны только для трёх городов: Лабытнанги (Троценко, 1990), Ишим (Шереметов, 2004), Ялуторовск (Науменко, 2003).
В г. Тюмени - административном центре Тюменской области, имеющем более чем 400-летнюю историю, прежде не проводилось целенаправленного изучения городской флоры. Только в 90-е годы XX столетия, в связи с возникшей задачей сохранения биологического разнообразия, в печати стали появляться публикации по флоре отдельных объектов г. Тюмени. В последнее десятилетие рост новостроек в черте областного центра и его окрестностях
усилил процессы антропогенного воздействия на урбанофлору. В связи с недостатком информации по флоре города возникла необходимость её детального изучения с применением современных методик.
Цель работы - изучение флоры травянистых растений г. Тюмени в хронологическом и пространственном аспектах.
Задачи:
инвентаризация и анализ современной флоры травянистых растений;
восстановление видового состава исторической флоры; -сопоставление исторической и современной флор на основе
систематического, хорологического и экологического анализов;
- изучение пространственного распределения флоры на урбанизированной
территории.
Научная новизна. Впервые проведено детальное изучение флоры травянистых растений г. Тюмени в пространственном и временном аспектах. Составлены конспекты восстановленной (583 вида) и современной (486 видов) флор. Проведён сравнительный анализ систематической, ботанико-географической и экологической структуры исторической и современной флор. Выявлены три новых для Тюменской области вида травянистых растений, один - для южной зоны области и 10 — для Тюменского района. На территории областного центра отмечено произрастание 20 видов редких и нуждающихся в охране растений и составлены карты с указанием мест их нахождения.
Защищаемые положения.
Современная флора г. Тюмени включает 486 видов травянистых растений; структура и особенности флоры характеризуют её как бореальную.
Видовое разнообразие, параметры флоры, соотношение экологических и хорологических групп травянистых растений изменяются в зависимости от возраста застройки и антропогенного воздействия.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы в практической деятельности природоохранных, проектных и
градостроительных организаций г. Тюмени, в системе биомониторинга города, а также в учебном процессе при подготовке теоретических и практических курсов по специальностям «экология» и «биология». Конспект современной урбанофлоры может быть использован при составлении кадастра городских земель, региональных флористических сводок, в том числе Красных книг различного уровня. По заказу Департамента по охране окружающей среды администрации Тюменской области подготовлен пакет документов на создание в черте города памятника природы «Лесопарк им. Ю.А. Гагарина».
Апробация работы и публикация результатов исследования. Результаты работы были представлены и доложены на региональной научно-практической конференции «Словцо вские чтения» (Тюмень, 1999), молодёжной конференции «Исследования молодых ботаников Сибири» (Новосибирск, 2001), на Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда» (Тюмень, 2001) и на заседаниях кафедры ботаники и биотехнологии растений (2001-2003 гг.). По теме диссертации опубликовано 8 работ, 1 находится в печати.
Структура и объём диссертации. Работа изложена на 206 страницах печатного текста, содержит 20 таблиц, 13 рисунков, приложение. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы. Список литературы содержит 323 источника, из них 28 на иностранных языках.
Выражаю глубокую признательность научному руководителю д.б.н., проф. Нине Анатольевне Боме за помощь и поддержку в работе над диссертацией. Считаю своим долгом поблагодарить всех работников кафедры ботаники и биотехнологии растений Тюменского государственного университета за своевременные ценные указания и замечания по отдельным вопросам. Огромное спасибо к.б.н., доценту Маргарите Феофановне Мельниковой за неоценимую помощь в обработке материала и написании текста работы. Благодарю И.В. Кузьмина и Ю.И. Гордеева за предоставленные данные по видам, обнаруженным ими на территории г. Тюмени. Коллективу гербария при
Ботаническом институте им. В.А. Комарова (г. Санкт-Петербург) выражаю искреннюю благодарность за доброе отношение в период пребывания у них в командировке. Отдельное спасибо д.б.н., профессору, члену-корреспонденту РАН Н.Н. Цвелёву за проверку правильности определения ряда видов. За всестороннюю поддержку и добрые советы благодарю к.б.н., доцента кафедры ботаники Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена Л.В. Рязанову, без которой моя командировка в БИН РАН не была бы столь плодотворной.
Экологические факторы эдафической группы
Городские почвы. Изучение почвенного покрова урбанизированных территорий осложняется тем, что почвы города подвергались длительному антропогенному воздействию. Естественные почвенные горизонты перекрыты привозными грунтами, изолированы от атмосферного воздуха различными твёрдыми покрытиями, такими, как асфальт, бетон, брусчатка и т.п.
В городских условиях преобладают насыпные почвогрунты, мощность которых превышает 50 см (Гусейнов, 2001), состоящие из перемешанных почвенных горизонтов, различного грунта (Головина, 1960), строительного и бытового мусора (Fath-Chavanne, 1989). Такие субстраты, в связи с химическим составом, обычно имеют щелочную реакцию (Василевич, Мотекайтите, 1988). Насыпные почвы богаты органикой, но это не всегда означает, что тем самым создаются оптимальные условия для минерального питания: влажность городских почв во многих случаях приближается к состоянию физиологической сухости, что приводит к отмиранию корней в глубинных горизонтах почвы. Усугубляет ситуацию и уплотнение почв, приводящее к ограничению водного и воздушного обмена.
Как правило, внешние постоянные нагрузки приводят к постепенным деформациям приповерхностных участков территории. Городское, тем более высотное, строительство является причиной того, что под зданиями образуются зоны сжатия и сдвига. Иногда «чаша» проседания поверхности достигает в диаметре сотни метров, а деформация проникает на глубины в десятки метров. В сумме они создают как бы общую зону проседания города, более глубокую в его центре: центральные районы оседают со скоростью почти в 2 раза большей, чем периферийные. Застройка новой территории постепенно приводит к расширению деформаций. С повышением этажности городов растёт нагрузка на их природный фундамент, что ускоряет процесс литофикации (окаменения) почв (Новиков, 1984). Чем твёрже почва, тем труднее в ней развиваться корневым системам растений. Плодородие почв ухудшается за счёт того, что растительные остатки не возвращаются в биологический круговорот. Обеднению почвы способствуют скашивание травы на газонах и уборка опавшей листвы в парках и скверах (Горышина, 1991).
Кроме того, городские почвы поглощают химические загрязнители из воздуха. Темпы самоочищения почвы значительно ниже, чем у подвижных сред - воды и воздуха (Токарева, 2004), и однократно попавшие в неё вещества могут наносить вред растениям в течение длительных периодов времени. Под влиянием выхлопных газов содержание свинца в травянистых растениях увеличивается в 50-100 раз. Вдоль автомобильных дорог в почвах наряду со свинцом накапливаются также цинк, железо, медь, никель и другие металлы. Зимой для борьбы с гололёдом тротуары и автомобильные дороги посыпают солью, что вызывает хлоридное засоление прилегающих к ним территорий (Матейкович и др., 2001).
Орографическая группа экологических факторов Рельеф не оказывает непосредственного влияния на жизнь растений, но он дифференцирует поверхность, в результате чего изменяется интенсивность воздействия некоторых факторов (Уранов, 1974). Чем разнообразнее рельеф, тем на одной и той же площади больше различных местообитаний, что способствует увеличению видового богатства. На монотонном рельефе обычно развивается однообразная растительность.
В городе рельеф претерпевает существенные изменения. На заре эпохи урбанизации ландшафты, подвергавшиеся застройке, часто имели лоскутный характер, и разнообразие экотопов возрастало - возникала их мозаичность, за счёт которой росло видовое разнообразие. Неудобные для застройки земли тогда просто захватывались в состав городской площади почти без антропогенной трансформации их природного комплекса. В современных условиях темпы и методы градостроительства стали настолько интенсивными, что на больших площадях за короткое время коренным образом изменяется вся экологическая обстановка. Современное градостроительство вовлекает в свою сферу овраги, крутые склоны, болота, поймы и т.п. (Ильминских, 19896), то есть, происходит нивелировка низинных и возвышенных форм рельефа. В основном процессы антропогенного рельефообразования уменьшают дифференциацию рельефа вокруг городов, однако добыча песка, глины, нередко ведущаяся недалеко от них, вызывает рост оврагов, на склонах которых поселяются в основном сорные растения (Терехина, 2000). В результате, флора и растительность современных городов становятся крайне однообразными и однотипными, в них преобладают синантропные виды и сообщества.
Экологическая ситуация в г. Тюмени
На сравнительно небольшой территории, в том числе непосредственно в черте г. Тюмени, находится большое количество промышленных предприятий, очистные сооружения которых работают с низкой эффективностью (Обзор... Тюменской области, 2003), что приводит к загрязнению водной и воздушной сред и обусловливает неблагоприятную экологическую ситуацию в городе. По количеству зелёных насаждений г. Тюмень значительно уступает другим городам России (Засуха и др., 2000). Общая обеспеченность города зелёными насаждениями более чем в 2 раза меньше нормативной (Гусейнов, 2001).
По данным налоговой инспекции, в г. Тюмени находятся 15357 предприятий и организаций, выбрасывающих вредные вещества в атмосферу, причём многие промышленные объекты расположены в жилых зонах (Гусейнов, 2001). Однако в основном техногенное загрязнение атмосферы города формируется под влиянием автотранспорта. Г. Тюмень относится к городам с высокой насыщенностью транспортом: его выбросы составляют 78% от суммарного выброса в атмосферу, или 43,1 т (Обзор... Тюменской области, 2002). Атмосфера в городе характеризуется хорошей рассеивающей способностью, но метеорологические условия не могут обеспечить полного рассеивания всех выбросов автотранспорта. Наибольший вклад в загрязнение среды вносят перегруженные перекрёстки с заторами. Особенно сильно загрязнён воздух вдоль основных транспортных магистралей города — улиц
Республики, Мельникайте, Мориса Тореза, Ленина, где отмечено превышение фактического объёма над нормативным по оксиду азота в 3,8 раза, по свинцу -в 2,7 раза (Германова, 2004). Также в городе повышены концентрации пыли, диоксида азота, формальдегида и бенз(а)пирена (Обзор... Тюменской области, 2002). Антропогенная нагрузка на атмосферу продолжает возрастать, что связано с целым рядом проблем:
- использование природного газа при выработке тепло- и электроэнергии;
- низкая оснащённость предприятий пыле- и газоочистными установками;
- наличие большого количества автотранспорта в городах при недостаточной пропускной способности внутригородских магистралей;
- использование этилированных видов топлива и, как следствие этого, поступление в атмосферу соединений свинца;
- недостаточный уровень развития системы мониторинга качества атмосферного воздуха, не позволяющий объективно оценить степень антропогенной нагрузки, в том числе при нормировании выбросов (Обзор...
Тюменской области, 2001).
Воды Тюменской области загрязнены практически повсеместно (Калинин, 2004). Река Тура загрязнена фенолами (3 ПДК), нефтепродуктами (2,7 ПДК), легко окисляемыми органическими веществами (1,4 ПДК), соединениями азота, тяжёлыми металлами. ПДК по железу превышен в 11,7 раз, по цинку — в 5 раз, по марганцу — в 32,6 раз. Г. Тюмень, как крупный промышленный центр, даёт всплеск концентрации загрязнений, одной из причин которой является низкая культура водопользования: повышение водоёмкости производств, уменьшение доли очищаемых сбросных и повторно используемых вод. Ниже г. Тюмени по течению наблюдается ухудшение качества воды по азоту аммонийному до 1,9 ПДК, что связано с ненормативной работой комплекса очистных сооружений (КОС) города (Обзор... Тюменской области, 2003). Берега реки замусорены, во многих местах на них возникают стихийные свалки (Тюмень начала XXI века, 2002). Антропогенная нагрузка на р. Тура достигла такого уровня, что река исчерпала свою самоочищающую способность, и началась её деградация. Вниз по течению нарастает содержание загрязнителей (Балябин, 2004). Гидрологи называют реку Туру дистрофным водоёмом. Как показал ряд исследований (Исаченко-Боме, Михайлова, 2001; Московченко, Шарапова, 2001; Гашев и др., 2002; Шарапова, 20016, 2002), состав гидробионтов в городских озёрах и прудах, а также в р. Тура ниже г. Тюмени обеднён, что свидетельствует о неблагоприятном антропогенном влиянии. Все городские водоёмы в разной степени загрязнены органикой и токсическими веществами. Особенно грязна вода р. Тюменки: общая минерализация в 1,5-4 раза превышает таковую р. Туры, реакция слабо щелочная, вода жёсткая, содержит 5 ПДК ионов аммония и 10 ПДК нитратов (Гусейнов, 2001). В подземных водах г. Тюмени отмечены превышения ПДК по железу, марганцу, брому, свинцу, фенолам (Обзор... Тюменской области, 2002).
Вредные вещества, поступающие из источников загрязнения в атмосферу, по истечении времени оседают на поверхности почвы, накапливаются в ней. В почвах г. Тюмени отмечено превышение гигиенического норматива по свинцу в 2-3 раза, его содержание особенно высоко в непосредственной близости к аккумуляторному заводу и вдоль главных улиц с интенсивным движением автотранспорта (Гусейнов, 1999; Матюшкина, 2004). По данным Д.В. Московченко (1996), в г. Тюмени наблюдается неблагоприятная геохимическая обстановка по никелю, хрому и цинку, содержание которых выше фона в 2-5 раз (Обзор... Тюменской области, 2002).
Ежегодно в г. Тюмени образуется более 400 тыс. тонн твёрдых бытовых отходов (ТБО) и свыше 300 тыс. тонн промышленных отходов, из которых вторично используется 3-4% ТБО и 35% промышленных отходов. В городе нет ни одного мусороперерабатывающего предприятия (Тюмень начала XXI века, 2002). Практически весь объём образовавшихся бытовых отходов и не используемая в производстве часть промышленных отходов вывозятся на свалки за пределы города (Краснова, 2004). Однако в черте города отмечены стихийные свалки бытовых отходов по оврагам и пустырям (Гусейнов, 2001; Козин, 2004).
Радиационная обстановка на территории г. Тюмени спокойная и может расцениваться как благополучная. Содержание радионуклидов в почвах города не превышает фоновые уровни, характерные для Тюменской области, и соответствует действующим санитарным нормам (Обзор... Тюменской области, 2002; Тюмень начала XXI века, 2002).
По оценке экспертов, в г. Тюмени экологический кризис, и состояние городской среды продолжает ухудшаться (Германова, 2004).
Пространственное распределение экологических групп травянистых растений
Исторические зоны города отличаются распределением экологических групп растений по отношению к условиям увлажнения (табл. 18). Большое разнообразие лесных, опушечных, луговых, болотных, степных экотопов на окраинах определяет пестроту растительного покрова и присутствие здесь всех экологических групп травянистых растений. В направлении от окраин к центру города, от зоны к зоне возрастает доля мезофитов и близких к ним групп — ксеромезофитов и гигромезофитов, а участие прочих экоморф снижается. На урбанизированных территориях обеднение видового разнообразия идёт в основном за счёт выпадения растений естественной флоры. Так, далеко не все гигрофильные виды, даже при наличии оптимальных условий увлажнения, выдерживают загрязнённость среды, вытаптывание, высокую плотность почв, характерные для центральных зон города. Среди антропотолерантных видов, проникающих в зоны древнего и старого города, набор гигрофитов и мезогигрофитов (Agrostis stolonifera, Bidens tripartita, Galium uliginosum, Juncus compressus, Stachys palustris и др.) ограничен. Естественные местообитания с недостаточным увлажнением, где произрастает большая часть ксерофитов и мезоксерофитов, в основном сосредоточены на окраинах города — парк им. Гагарина, склоны берега р. Бабарынка и др.
Мезофиты являются наиболее многочисленной экологической группой во всех исторических зонах города. В направлении от окраин к зоне древнего города их доля возрастает, так как к этой группе относится большинство неприхотливых сорных растений, не выпадающих из состава флоры с увеличением антропогенного влияния. Кроме того, в центральных зонах города почти абсолютно преобладают мезоморфные местообитания — частные дворы и огороды, клумбы, газоны, скверы и т.п. По тем же причинам в древнем и старом городе наиболее высок процент близких к мезофитам экологических групп растений (гигромезофитов и ксеромезофитов).
В зоне старого города находятся два крупных источника заноса видов — железнодорожный вокзал и речной порт, для которых характерны своеобразные экологические условия. Именно здесь нами собраны ксерофиты (вокзал) и гигрофиты (порт), не отмеченные в других исторических зонах. В результате число видов и доля участия данных экологических групп во флоре старого города оказались несколько больше, чем в соседних зонах.
Таким образом, распределение экологических групп травянистых растений по отношению к условиям увлажнения по историческим зонам г. Тюмени указывает на возрастание роли мезофитов в направлении от окраин к центру. В то же время число гидрофитов, гигрофитов и ксерофитов резко уменьшается в том же направлении, что связано с относительным однообразием экологических условий в древнем и старом городе.
Участие сорных видов во флоре исторических зон
На урбанизированных территориях всегда присутствуют сорные виды, число которых зависит от степени антропогенного воздействия на флору: чем больше нарушена флора, тем выше в ней процент сорных видов (Степанов, 1997), что справедливо и для г. Тюмени. Несмотря на снижение числа видов по направлению от окраин к центру города, доля участия сорняков от зоны к зоне неуклонно возрастает (рис. 10). Высокий процент сорных видов в древнем и старом городе объясняется не только почти полным отсутствием естественных местообитаний, но и наличием в данных зонах частных домов с огородами, на которых растут типичные огородные сорняки, предпочитающие богатые органикой почвы грядок.
По продолжительности жизни травянистые растения, и, в частности, сорные виды подразделяются на малолетники и многолетники. Среди травянистых жизненных форм более высокая толерантность к антропогенным местообитаниям наблюдается у малолетников и сравнительно низкая — у многолетних видов (Березуцкий, 1988). Малолетники очень пластичны, хорошо приспосабливаются к изменившимся условиям среды, поэтому среди них много сорных видов. Снижение числа малолетних и многолетних видов от зоны к зоне не одинаково, и в процентном выражении доля малолетников к центру города возрастает от 25,9% на окраинах до 43,9% в древнем городе (рис. 11). Доля многолетников соответственно снижается, что объясняется присутствием среди них большего числа урбанофобных видов.
