Содержание к диссертации
Введение
1. Современные тенденции в оценке экологического состояния лесных фитоценозов (обзор литературы) 10
1.1. Глобальные изменения среды обитания древесных растений 10
1.1.1. Классификация лесных фитоценозов 10
1.1.2. Таксационные описания 14
1.2. Мониторинг состояния лесных экосистем 15
1.2.1. Загрязнение среды и экологический мониторинг 15
1.2.2. Характеристики устойчивости экосистем 18
1.3. Рекреационная нагрузка и её влияние на фитоценозы 19
1.4. Процессы синантропизации и антропогенная трансформация флоры 21
1.5. Объекты для биоиндикации 29
1.6. Оценка состояния природной среды: подходы к проблеме. 33
2. Материалы и методы исследования 38
2.1. Характеристика района исследований 38
2.1.1. Природно-территориальный комплекс: расположение и условия
2.1.2. Характеристика почв 39
2.1.3. Характеристика климатических условий за исследуемый период 40
2.1.4. Радиационная обстановка 48
2.1.5. Источники химического загрязнения района исследований 51
2.1.6. Определение зон полевых исследований 52
2.2. Материалы 53
2.3 Методы отбора и анализа проб 53
3. Система комплексной оценки 57
3.1. Динамика видового разнообразия 57
3.1.1. Характеристика типов леса на исследуемой территории 57
3.1.2. Изменение структуры фитоценозов 63
3.1.3. Характеристика видового разнообразия травянистого яруса 76
3.1.4. Динамика растений по семействам 80
3.2. Рекреационная оценка территории 83
3.3. Процессы синантропизации и антропогенной трансформации флоры 91
3.4. Выбор и сравнительная оценка видов-индикаторов состояния лесных фитоценозов 109
3.5. Сравнение результатов биоиндикационных исследований с загрязнением почвы и листьев растений 119
3.5.1. Сравнение результатов биоиндикационных исследований с загрязнением почвы и листьев растений тяжелыми металлами 119
3.5.2. Сравнение результатов биоиндикационных исследований в лесах с различным уровнем радиационного загрязнения 131
3.6. Создание модели комплексной оценки лесных фитоценозов 133
Выводы 137
Список литературы 139
- Классификация лесных фитоценозов
- Характеристика климатических условий за исследуемый период
- Изменение структуры фитоценозов
Введение к работе
Актуальность исследования, В настоящее время процессы урбанизации охватили значительные территории. Природные комплексы, расположенные в непосредственной близости от крупных населенных пунктов, подвергаются серьезным изменениям. Флора подобных сообществ развивается в условиях активной хозяйственной деятельности. Бывшие естественные фито-ценозы трансформируются в синантропные флористические комплексы (Ти-мошок, Скороходов, Воробьёв, 2001; Горчаковский, 1979, 1984, 1999, 2002; Дементьева, 2000, Ишбирдин, 2001, 2004). В то же время зеленые массивы оказывают благотворное воздействие на социальную среду, создавая определенный микроклимат, способствуя оздоровлению, но лишь в том случае, если процессы дигрессии не изменили характер естественного развития биоценоза. В результате происходит с одной стороны обеднение естественной флоры, с другой - обогащения ее за счет видов-космополитов, имеющих повышенную устойчивость к изменившимся условиям среды. Процессы синантропизации растительного покрова рассматриваются как стратегия приспособления растительного мира к условиям среды, трансформированным человеком (Jager,1988; Горчаковский, Коробейникова, 1997). Рекреационные изменения растительности в литературе (Kornas, 1982, Хмелев, Березуцкий, 1995; Шуш-панникова, 2001; Егорова, 2004) рассматривают как частный вариант сукцессии типа ретрогрессии. Интенсивность воздействия оценивается как рекреационная нагрузка. Вопрос об изменении характера растительного покрова и связанных с этим отклонений в развитии живых организмов в зависимости от интенсивности рекреационной нагрузки является весьма актуальным и недостаточно проработанным.
В связи с увеличением антропогенного воздействия все большее значение приобретает экологическая оценка состояния природной среды. Среди множества современных методов важно отобрать и систематизировать лишь те, на основании которых можно легко составить реальную картину изменения среды.
Ряд методов базируется на исследовании конкретных физико-химических параметров, при этом чаще всего они рассматриваются в отдельности.
При подобном подходе невозможно судить о динамике процессов, протекающих в живых системах. В свою очередь, биологические объекты способны под влиянием антропогенного воздействия накапливать информацию, которая позволяет судить о качестве среды обитания непосредственно по их реакции.
В зависимости от характера и силы стрессирующего воздействия меняется траектория развития живого организма, популяции и экосистемы в целом. Поэтому необходимость комплексной оценки изменений, протекающих на различных уровнях организации, с учетом особенностей природной среды является очевидной.
Цели и основные задачи исследования. Целью настоящей работы является оценка состояния отдельных лесных фитоценозов в условиях рекреационной нагрузки.
Исходя из цели была определена гипотеза исследования, которая заключалась в следующем.
Экологическая оценка пригородных лесов представляет собой совокупность объективных характеристик, основанных на способности живых систем менять траекторию своего развития в ответ на изменение физико-химических качеств окружающей среды. Рекреационная нагрузка как существенный антропогенный фактор может вызвать ряд направленных изменений.
Предполагалось, что
В результате неограниченного ее воздействия возникнут существенные изменения видового разнообразия и структуры фитоценоза.
Растения, чувствительные к стрессирующим воздействиям, могут послужить индикаторами, по изменению параметров их развития можно будет судить о силе внешнего воздействия.
- Сравнительный анализ показателей, полученных разными методами индикации, послужит основанием для выработки системы комплексной оценки. В соответствии с поставленной целью и гипотезой исследования выполнялись следующие задачи:
Изучение динамики видового разнообразия на основании анализа геоботанических описаний и лесной таксации.
Составление рекреационной оценки пригородного леса и определение стадий дигрессии на участках с разной степенью антропогенного воздействия.
Исследование наличия взаимосвязи между интенсивностью рекреационной нагрузки и изменением характера и структуры травянистого покрова (уровнем синантропизации)
Определение показателей реакции фитоиндикаторов на воздействие антропогенных факторов.
Разработка системы оценки состояния природного объекта при определении статуса исследуемой территории.
Научная новизна. В работе дана комплексная оценка воздействия урбанизированной среды на состояние различных лесных фитоценозов.
Сформулированы, обоснованы и апробированы методические подходы к составлению комплекса длительных наблюдений за природным объектом. Предложена разноуровневая система биоиндикационной оценки пригородного леса для выявления степени антропогенного воздействия и проведения длительного мониторинга на охраняемых территориях.
Проведена рекреационная оценка пригородного леса в зависимости от почвенно-климатических условий и степени поврежденной территории, изучена динамика процессов дигрессии в зависимости от типа и характера ассоциации.
Впервые изучена динамика видового разнообразия древесных пород за двадцатилетний период в условиях антропогенного прессинга.
Проведен отбор и сравнительная оценка объектов для биоиндикации лесных фитоценозов.
Получены новые данные о степени синантропизации и изменении обилия редких видов в зависимости от интенсивности рекреационной нагрузки.
Разработан авторский вариант расчета соотношения различных групп растений с учетом видового представительства и обилия произрастания.
Разработана методика оценки стабильности развития Aegopodium podagraria L.. и Tilia cordata Mill, по степени асимметрии листовой пластинки.
Практическая значимость. Выявленные в ходе диссертационного исследования закономерности изменения характера растительности, биоиндикационных показателей в ответ на рекреационное давление имеют важное теоретическое и практическое значение для понимания процессов сукцессии и изменении биоразнообразия, протекающих в условиях урбанизированной среды. Полученные данные являются основой для организации системы биомониторинга за состоянием природного объекта, в том числе лесных фитоценозов, представляющих интерес как модельная эталонная территория.
Данные, полученные в ходе мониторинга по предложенной схеме, послужили основой для обоснования статуса особо охраняемой природной территории (ООПТ).
Предложенные методы оценки интенсивности рекреационной нагрузки и определения уровня синантропизации удобны для использования и более объективно отражают картину протекающих изменений, связанных с антропогенным воздействием.
Разработанная методика промеров признаков, использованных для анализа флуктуирующей асимметрии листовой пластинки Aegopodium podagraria. и Tilia cordata Mill, позволяет исключить вероятность получения искаженных результатов за счет включения достаточного числа признаков, характеризующих
морфологические особенности листа. Данные признаки удобны для учета и позволяют произвести однозначную оценку.
Достоверность результатов исследования обеспечена обоснованностью методологических положений, соответствием применяемых методов поставленным задачам, репрезентативностью анализируемых выборок, использованием современных стандартизированных методик определения показателей химического состава объектов исследования и применением методов математической обработки экспериментальных данных.
Реализация работы. Разработанная система контроля и проведения биомониторинга легла в основу работы летнего экологического лагеря. На основании данных длительного мониторинга был определен статус изучаемой территории как природного памятника комплексного значения, составлена соответствующая документация.
Апробация работы Основные результаты работы были доложены на VII Международной научной конференции «Биосфера и человек: проблемы взаимодействия» (Пенза, 2003), XI Всероссийской научной конференции «Вопросы археологии, истории, культуры и природы Верхнего Поочья» (Калуга, 2005), историко-краеведческой конференции «Город и регион. Проблемы археологии, истории и культуры», посвященной 40-летию музея истории города Обнинска (Обнинск, 2005), Открытой Университетской научно-практической конференции (Калуга, 2006).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 156 страниц, включая 37 рисунков, 29 таблиц. Список литературы включает 193 наименования, из них- 38 на иностранных языках.
Основные положения, выносимые на защиту
Под влиянием антропогенных факторов в лесных фитоценозах происходят структурные изменения, выражающиеся в уменьшении показателей общего разнообразия.
На участках пригородного леса под влиянием рекреационной нагрузки происходят процессы дигрессии.
Показатели флуктуирующей асимметрии листьев растений-индикаторов коррелируют с загрязнением почвы и интенсивностью рекреационной нагрузки.
Система комплексной оценки состояния лесных фитоценозов должна включать: изучение почвенно-климатических особенностей района исследований и данных лесной таксации; геоботанические описания; выявление и определение зон по уровню рекреационной нагрузки; определение биоиндикационных и физико-химических параметров, установление взаимосвязи между ними; создание базы данных для ГИС.
Классификация лесных фитоценозов
Вопрос классификации растительных сообществ является одним из наиболее дискуссионных в фитоценологии. Связано это прежде всего с тем, растительные сообщества чаще всего не имеют четких пространственных границ, которые к тому же изменяются во времени, в результате чего в фитоценологии сформировались концепции топографического (пространственного) и темпорального (временного) континуумов (Крышень и др., 2003). Лесные сообщества чаще всего группируются по физиономическим, флористическим признакам и по положению сообщества в сукцессионных рядах. При этом в название метода классификации часто добавляется слово «экологический», что указывает на тесную связь структуры растительного сообщества с условиями местообитания.
В 1910 году на III Международном ботаническом конгрессе принято решение считать основной единицей классификации растительности ассоциацию, под которой понималось «растительное сообщество определенного флористического состава с единообразными условиями местообитания и единообразной физиономией». При классификации лесных фитоценозов термин «ассоциация» часто заменяется синонимом «тип леса» и соответственно классификация лесных сообществ обозначается как лесная типология.
Первая лесная типология была создана лесоустроителем Н.К. Генко в 1889 году при обследовании лесов Беловежской пущи. Им было выделено 8 типов лесов по доминантам и условиям увлажнения. В этой классификации для обозначения выделенных типов леса использовались названия, бытовавшие у населения устраиваемых территорий (Сукачев, 1957; Анучин, 1982; Крышень и др., 2003).
Другим характерным примером построения лесной типологии, исходя из состава и бонитета насаждений, почвенно-грунтовых особенностей местообитания, является подход П.П. Серебрякова, выделившего в начале XX века для Севера России 15 типов леса по преобладающим породам. Основным фактором является увлажнение. В связи с этим все леса автором были разделены на леса «по суходолу» и леса «по мокрому».
Профессор Г.Ф. Морозов - основатель первой в мире лесотипологиче-ской школы. Его учение о типах леса основывалось на глубоком научном анализе естественно-географических условий существования лесных фитоценозов (Морозов, 1970), почвенных условий. Морозов рекомендовал использовать также динамику роста насаждений и характера их возобновления.
Направление в лесной типологии, основанное на приоритете признаков обитания, достигло логического завершения в классификациях Е.В. Алексеева и П.С. Погребняка. Развивая эту теорию, профессор Погребняк и другие украинские типологи решающее значение придают определению плодородия почв и их влажности, создали двумерные классификационные схемы (эдафические сетки (таблица 1). По одной оси откладывалось богатство почвы, по другой -степень увлажнения. Однако, данная шкала в большей степени характеризует скорее условия места произрастания, отодвигая на второй план характер и структуру фитоценоза.
Лесная типология, разработанная академиком В.Н.Сукачевым, Киянде-ром и др. (Сукачев, 1957, 1972; Анучин, 1982),в основу деления лесов на типы положила состав насаждений и надпочвенный покров как индикатор, характеризующий условия места произрастания леса. Подобный подход к выделению ассоциаций (типов лесов) получил название фитоценологического или фитосо-циального и получил свое развитие в классификации, составленной для лесов Севера Европы и Сибири, геоботаником А. Каяндером,.
В Европе одним из наиболее популярных методов классификации считается флористический подход Браун-Бланке (Braun-Blanguet, 1964). Ранее его использование сдерживалось трудоемкостью этапа анализа описаний, но с применением компьютерных технологий эти ограничения были сняты. Суть метода заключается в выделении ассоциаций по характерным и дифференциальным видам. Подобный подход справедлив по отношению к коренным сообществам, но малоэффективен по отношению к вторичным сообществам, часто отличающимся непостоянством состава.
Наиболее совершенной следует считать такую классификацию типов леса, которая учитывает: а) рельеф местности; б) богатство почвы; в) влажность почвы; г) относительное сходство в надпочвенном составе; д) сходство в составе основного древесного яруса, классе бонитета и происхождении насаждения.
Характеристика климатических условий за исследуемый период
К факторам ландшафтной дифференциации необходимо отнести и климат, точнее количество осадков и режим их выпадения. Современные эрозионные процессы во многом определяются именно этим фактором. Увлажнение почвы, ее промерзание, характер растительности, разновидность фенофаз зависят от климатических факторов.
Солнечная радиация является главным источником тепловой энергии большинства природных процессов. Период с положительным радиационным балансом составляет 8 месяцев (с апреля по ноябрь) (Силин, 2003). В летние месяцы баланс меняет знак в суточном ходе от отрицательного к положительному и обратно при высоте солнца 6-8/Этот период совпадает с активными физиологическими процессами и мощным нарастанием вегетативной массы. Климатические факторы во многом определяют траекторию развития организма. Были проанализированы данные по изменению погодных условий за период проведения полевых исследований (2002-2005гг). Определение температуры производилось в приземном слое атмосферы на высоте 2 м на высотной метеорологической мачте НПО «Тайфун», которая расположена в непосредственной близости от изучаемого природного комплекса. Анализ распределения среднемесячных температур на протяжении вегетационного периода показал, что в его динамике данные предоставлены НПО «Тайфун» прослеживаются как общие тенденции, так и индивидуальные направленности, которые, несомненно, не могли не сказаться на особенностях ростах и развития растений (рис. 1 и 2).
Самое теплое начало вегетационного периода было зарегистрировано в апреле 2002 года, однако средняя температура в мае была значительно ниже, чем в следующем и в 2005 году. В июне и в июле этого года наблюдались самые высокие в течение четырех лет среднемесячные температуры, а во второй половине вегетационного периода (август - сентябрь) - ниже, чем в последние два года. В октябре зафиксирована самая низкая температура за все четыре года.
В 2003 году первая половина вегетационного периода с апреля по июль отличалась полной противоположностью в распределении температур по сравнению с предыдущим годом. Апрель оказался самым холодным месяцем на протяжении исследуемого периода, май - самым теплым, в июне температура была самой низкой, в июле - несколько ниже, чем в предыдущем году, но выше, чем в двух последующих. В динамике среднемесячных температур двух последующих лет (2004-2005гг) наблюдались сходные тенденции: их величины мало отличались друг от друга, за исключением начала вегетативного периода (апреля - мая), где наблюдаются заметные различия. Весна 2005 года была теплее, чем весна 2004 года, что могло отразиться на показателях роста и развития растений. Средняя температура июля значительно превысила среднюю многолетнюю (+18 , Силин, 2003) лишь в 2002 году (+21 ), на протяжении трех последующих лет температура удерживалась на уровне немного превышающем (18,2 - 19,6) многолетнюю среднюю.
Изменение структуры фитоценозов
Лесная таксация 1985 года по срокам совпадает с началом активной застройки близлежащего квартала и постепенного увеличения рекреационного использования лесного массива как зоны отдыха.
Анализ данных таксационных описаний этого периода показал изначальную неоднородность территории пригородного леса по характеру и числу представленных ассоциаций. Сравнение типов насаждений по доминирующей породе (таблица 6) показало, что 50 60% всех фитоценозов представляют фитоце-нозы березы бородавчатой. В пределах двух лесных кварталов (107 и 108) Уз составляют ассоциации ели, а фитоценозы 109 и 110 лесных кварталов сходны по сочетанию березняков, осинников, ельников и сосняков. Растительный покров 111 квартала, наиболее приближенного к жилому массиву, заметно отличается по структуре и сочетанию основных пород от остальных.
Флористическая композиция скорее всего определяется природными факторами, прежде всего характером почв. Так, на суглинках произрастают преимущественно смешанные леса с преобладанием ели и березы, на флювиогляци-альных зандровых песках сосновые леса, в притеррасной части, на шлейфе встречаются дубы, так как залегают известняки.
На покровных суглинках, занимающих преобладающие пространства водоразделов, распространены преимущественно типы сложных ельников с липой (70% в подзоне), на значительно меньшей площади - сложные ельники с дубом. Зандровые поля покрыты примерно в равной доле бореальными ельниками, бореальными сосняками с елью и субнеморальными ельниками. В настоящее время, однако, коренные леса сильно нарушены и встречаются преимущественно вторичные березняки и осинники, чистые или с участием ели. Бассейн реки Протвы расположен у южной границы полосы хвойно-широколиственных лесов, которую проводят по южной границе распространения ареала ели европейской. Положение района сказалось на свойствах растительного покрова, который отличается значительной пестротой. Лесорасти-тельные условия имеют переходный характер и определяют широкое распространение европейских неморальных видов растений, являющихся доминантами или характерными видами в смешанных лесах.
Для этой полосы типичны дубово-еловые леса, переходящие сообразно местным условиям в чистые еловые, дубовые, липовые леса или сложные ельники.. Везде под пологом ели типичные растения хвойных лесов сочетаются с дубравным широкотравием, а в древостое участвуют широколиственные породы. Всего на территории отмечено 9 основных видов деревьев, 10 видов кустарника, формирующего подлесок. Наибольшие площади (по данным таксации 1994 года) на исследуемой территории занимают березняки (61,8%), 22,3% - ельники, частично поддерживаемых за счет интенсивных лесовосстановительных работ (преобладают посадки ели). Доля осинников составляет 7%, участки дубравы 5,3. Сосняки занимают лишь 1,8% лесопокрытой площади. Насаждений с преобладанием остальных пород менее 1%: липняков - 0,8%, сероолыпанников - 0,7%.
Разнообразие типов насаждений по Шеннону изначально примерно одинаково на четырех из пяти лесных кварталов (рис.8). Исключением является 111 квартал, где данный показатель почти в 2 раза ниже. В течение 10 лет в структуре лесного массива не наблюдалось общих тенденций в изменении Hs. В пределах квартала, максимально отдаленного от города (107 кв.), разнообразие типов насаждений сохранилось на прежнем уровне (1,07). На двух из пяти (109 и ПО), оказавшихся в сходных условиях по типу почв и характеру представленных ассоциаций, количество однородных участков леса практически не изменилось. Снижение индекса разнообразия произошло за счет увеличения числа сходных типов фитоценозов и увеличения общей площади, занимаемой березняками и ельниками. При этом сохранилось значительная внутренняя дифференциация флористических группировок из-за различного сочетания господствующей породы и составляющих, мелколиственных и хвойных. Дифференциация хвойных ассоциаций поддерживалась в том числе и за счет лесных культур: 4 из 11 выделов представлены лесными культурами ели.
В пределах 111 квартала, максимально приближенного к жилому массиву, заметно увеличилось разнообразие типов насаждений и достигло уровня других кварталов по результатам прошлой таксации. Изменения произошли за счет смены доминирующих пород: в 4 из 23 выделов в этой роли выступают широколиственные породы - дуб и липа, которые по результатам прошлой таксации были составляющими и доля их участия колебалась от 10 до 20%. Причина подобных явлений связана с особенностями близкого залегания известковых отложений в районе 111 квартала.
