Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Редкие виды — составляющие регионального биоразнообразия и современные подходы их изучения 7
1.1. Редкие виды как объект исследования и охраны 7
1.2. Использование информационных систем в ботанико-экологических исследованиях 22
Глава 2. Природная характеристика района исследования 28
Глава 3. Материалы и методы исследования 50
Глава 4. Структура информационной системы "Флора" 54
Глава 5. Редкие виды флоры сосудистых растений Татарстана: структура и хорология 64
5.1. Критерии составления списка редких видов флоры РТ 64
5.2. Структура состава редких видов 69
5.3. Хорология редких видов флоры РТ 80
5.4. Экотопологические закономерности распространения редких видов в ландшафте. 91
Глава 6. Прогнозное моделирование потенциальных местообитаний редких видов
растений 99
Выводы 119
Список литературы 121
Приложения 137
- Редкие виды как объект исследования и охраны
- Природная характеристика района исследования
- Материалы и методы исследования
Введение к работе
Актуальность.
Деятельность человека, продолжающая изменять природные системы, затрагивает структуру сообществ и ход сукцессии, но в первую очередь она сказывается на многообразии форм жизни. Интенсификация хозяйственной деятельности человека со всё возрастающей быстротой ведёт к замещению естественных природных комплексов их антропогенными вариантами.
Изменение биологического разнообразия является основным и наиболее чувствительным показателем воздействия человека. Принято считать, что биоразнообразие связано с устойчивостью экосистем за счёт увеличения числа звеньев в трофических цепях и роста выравненности потока энергии в разных типах цепей (Пианка, 1981; Одум, 1975). Высокие показатели видового разнообразия зависят, как правило, от большого количества немногочисленных в составе сообществ видов, которые являются наиболее уязвимыми к воздействию человека.
В сохранении биологического разнообразия первостепенное значение имеет охрана редких видов и их местообитаний, которую необходимо осуществлять на всех пространственных уровнях - глобальном, региональном и локальном. Сохранение биологического разнообразия в целом и редких видов в частности объявлено одним из основных направлений государственной политики России в области экологии (Экологическая доктрина РФ, 2002). В 2004 г. была принята основанная на Экологической доктрине РФ Стратегия сохранения редких и находящихся под угрозой исчезновения видов животных, растений и грибов РФ. В числе основных задач Стратегии указаны разработка и внедрение системы категорий и критериев для выявления и классификации редких и находящихся под угрозой исчезновения видов, проведение инвентаризации и составление кадастра редких и находящихся под угрозой исчезновения видов, организация и ведение их мониторинга, создание и ведение Красных книг субъектов Федерации.
Для успешного проведения природоохранных мероприятий необходима разработка региональных концепций охраны редких видов. Наиболее актуальна эта задача для территорий, находящихся на стыке природных зон, мегаэкотонов, характеризующихся наиболее высокими значениями биоразнообразия (Кожаринов, Морозова, 1997). Пространственно дифференцированный подход к ведению региональных
4 Красных книг наиболее эффективно обеспечивает охрану видов, возможность существования и воспроизводства которых в большой степени зависит от ландшафтных условий территории.
Цели и задачи исследования.
Цель диссертационной работы состоит в выявлении и анализе закономерностей хорологии редких видов флоры сосудистых растений РТ на ландшафтной основе с применением современных средств информационных систем.
В ходе выполнения настоящей работы рассматриваются следующие задачи:
Разработка критериев отбора и составление списка редких видов растений РТ.
Создание информационной системы для накопления, хранения и обработки данных о растительном покрове и редких видах флоры РТ.
Анализ хорологии и динамики редких видов по природным районам РТ, создание карт их распространения.
Построение модели потенциальных местообитаний редких видов растений РТ и прогноз их распространения.
Научная новизна работы.
Разработаны геоинформационная система для накопления и хранения данных о распространении видов региональной флоры и комплекс программ для анализа информации, содержащихся в базе данных. Для территории бореального мегаэкотона разработаны критерии формирования списка редких видов сосудистых растений. Выполнен анализ списка редких видов РТ и выявлены экотопологические закономерности их хорологии. Впервые создана пространственная модель и построены карты потенциальных местообитаний редких видов флоры РТ. Выявлены более 550 местонахождений редких видов (в том числе, считавшихся исчезнувшими на территории РТ -Hupezia selago, Scrophularia umbrosa, Thalictrum aquilegifolium, Gentiana amarella) и новых для флоры Татарстана видов {Lathyrus litvinovii, Orobanche bylovii, Ыпит ucranicum subsp. uralense, Cuscuta epithymum, Leymus paboanus).
Практическая значимость работы.
Созданная геоинформационная система является информационной основой рационального использования растительных ресурсов, применяется для мониторинга состояния популяций видов, внесённых в Красную книгу РТ, проведения ОВОС различных объектов (ОВОС ОАО "Татнефть", генеральный план г. Казани), научных и
5 учебных задач. Система применялась при подготовке последней сводки по флоре РТ (Бакин и др., 2000), Атласа РТ (2005), практическое применение системы осуществлялось и в ряде НИР для мониторинга и контроля охраняемых в Татарстане видов растений.
В результате проведённых исследований подготовлен ряд предложений по ведению и структуре Красной книги РТ. Подготовлены и переданы в Минприроды РТ обоснования для организации ряда ООПТ на территории РТ — ГПП "Овраг Ирбиц-кий" (1996), ГПП "Овраг Южный" (1996), ГПП "Аю Урманы" (2000), ГПКЗ "Щучьи Горы" (2001), ГПКЗ "Долина реки Свияги" (2001), ГПП "Лес Махмутова" (2001), ГПП "Истоки реки Цильны" (2001). Полученные результаты применяются также в учебном процессе на экологическом факультете Казанского государственного университета в разработанных автором курсов "Видовое разнообразие", "Биоразнообразие и методы его исследования", "Информационные флористические и фаунистические базы данных".
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на совещании "Компьютерные базы данных в ботанических исследованиях" (С.-Петербург, 1997), совещании "Информационно-поисковые системы в зоологии и ботанике" (С.Петербург, 1999), рабочем совещании "Проблемы создания ботанических баз данных" (Новосибирск, 2000), школе-семинаре по сравнительной флористике памяти Толмачёва (Йошкар-Ола, 2000), Международном Симпозиуме "Информационные системы по биоразнообразию видов и экосистем" (С.-Петербург, 2003), Юбилейной научной конференции "Университетская география" (Москва, 2004), конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан" (Казань, 2004), итоговых научных конференциях КГУ (Казань, 2004, 2006), Всероссийской научной конференции "Современные аспекты экологии и экологического образования" (Казань, 2005).
Публикации.
По материалам выполненных исследований опубликовано 13 печатных работ.
Положения, выносимые на защиту. 1. Аннотированный список редких видов флоры сосудистых растений РТ, подготовленный на основе территориально дифференцированного подхода к оценке
категорий редкости и рекомендуемый для формирования регионального кадастра включает 503 вида.
Созданные в составе региональной геоинформационной системы базы данных о редких видах флоры, наряду с таксономической, биоморфологической и экологической информацией, включают аре алогические сведения, региональное распространение, привязанность к элементам ландшафта и типам фитоценозов.
Ландшафтный и экотопологический анализ распространения редких видов растений, находящихся на северной и южной границе ареалов, показывает большую уязвимость бореальных видов и перспективную возможность расселения степных видов.
Создана пространственная вероятностная модель потенциальных местообитаний редких видов растений, которая учитывает экологические свойства видов, их ландшафтное и ценотическое распределение.
Декларация личного участия автора.
В основу работы были положены исследования, начатые автором в 1996 г. Сбор полевого материала (включая гербарные коллекции), разработка информационной системы, пополнение базы данных, построение модели потенциальных местообитаний редких видов флоры РТ выполнены автором самостоятельно.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка литературы и приложения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц, 35 рисунков. В приложении на 44 страницах приведён аннотированный список редких видов флоры сосудистых растений РТ. Список литературы включает 180 наименований, в том числе 26 на иностранных языках.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Т. В. Роговой за продуктивную совместную работу и высокопрофессиональное руководство в ходе научных исследований в выполнении диссертационной работы. Особую благодарность автор выражает за консультации и высказанные идеи профессору кафедры моделирования экосистем А. А. Савельеву и заместителю директора по науке ВКГПЗ О. В. Бакину. Выполнение научной работы осуществлялось в тесном контакте с сотрудниками экологического факультета КГУ. Большую признательность и благодарность выражаю всем сотрудникам, аспирантам и студентам КГУ, принимавшим участие в сборе, обработке и обсуждении материалов.
Редкие виды как объект исследования и охраны
Каждый вид в составе природной флоры является экологической индивидуальностью. Для редких видов чаще характерна специфичность экологических ниш, которые они занимают. Возникновение и существование этих ниш обусловлено комплексом экологических, физико-географических и исторических факторов.
Редкие виды достаточно давно привлекали внимание различных исследователей. Первые натуралисты и естествоиспытатели, описывая территорию, отмечали, насколько часто встречаются те или иные виды (Рупрехт, 1866; Коржинский, 1888). Однако особое значение изучению редких видов стало придаваться только в XX столетии в связи с осознанием опасности их исчезновения и необходимости сохранения.
К сожалению, до сих пор четкого определения и согласованного толкования этого понятия не существует. Неоднозначность трактовки термина "редкий вид" подчеркивали разные ученые, среди определений чаще всего встречаются следующие:
1. Вид, встречающийся во многих местах, но в каждом только по одной или несколько особей;
2. Одну-две популяции на ограниченной территории, но с численностью в тысячи и десятки тысяч особей;
3. Редкие в одной стране и типичные в другой.
В. И. Чопик (1978) предложил следующее определение: редкие виды - это "виды, с ограниченным количеством популяций, локализованные в пределах узкого ареала и не проявляющие тенденций к его изменению или рассеянно распространенные отдельными популяциями на более значительной территории". В своих работах он подчеркивает, что понятие "редкий вид" чаще применяется не к виду, как к таковому (исключение составляют редкие эндемичные виды), а только к определенной части его ареала, занимающего интересующую нас территорию.
В трактовке Фидлера термин "редкий вид" характеризуется как распространением, так и обилием вида (Fiedler, 1986). Таким образом, "редкость" описывает три различные ситуации:
1. Виды, чьё распространение широко, но размеры популяций невелики;
2. Виды, имеющие узкое или локальное распространение с высокой численностью популяций;
3. Виды, образующие редко распространённые популяции с низкой численностью.
В сочетании с термином "редкий" обычно употребляется термин "исчезающий", однако не обязательно редкие бывают исчезающими. Исчезающие виды могут быть и редкими и довольно часто ещё встречающимися, чей ареал в силу определенных причин сокращается, уничтожаются биотопы, обилие в ценозах падает, прерывается жизненный цикл. Это важно при нахождении местообитаний и учета численности популяций.
Исчезающие виды по В. И. Чопику - это "виды, численность популяций которых заметно уменьшается или уже достигла критического уровня в пределах всего ареала или на определенной его части" (Чопик, 1978). Уменьшение биологического разнообразия связано именно с исчезновением видов, находящихся в критическом состоянии. Следовательно, с позиции охраны биоразнообразия, основным объектом внимания должны быть исчезающие виды. А если вид является ещё и редким, то необходимы срочные меры по его охране. Переход видов в категорию исчезающих — процесс далеко не случайный, так как "жизненный потенциал" вида и, соответственно, его шансы на выживание определяется рядом объективных факторов: хозяйственная ценность, декоративность, степень антропогенной трансформации его местообитаний, особенности ареала, происхождения и биологии.
Причины редкости растений могут быть различными, поэтому необходимы исследования динамики развития тех сообществ, в которых они произрастают. Во всех крупных флорах имеется множество редких и узкоэндемичных видов, которым в большинстве случаев не угрожает опасность уничтожения или естественного исчезновения. Они всегда были, и будут редкими в силу специфичности экологических ниш, занимаемых этими видами в пределах своего ареала. Однако, большинство подобных видов нуждается в постоянном слежении за состоянием их популяций, поскольку в случае изменения условий существования они могут исчезнуть за очень короткий промежуток времени.
В. И. Чопик говорит о том, что необходимо различать редкость первичную (естественную) и вторичную (вызванную антропогенным воздействием). На этот же ас 9 пект обращается внимание, как на необходимый при организации ООПТ (Попадюк и др., 1999). Авторы предлагают различать экологически редкий вид (не имеющий массового распространения из-за его приуроченности к специфичным и узко локализованным экотопам) и сукцессионно редкий вид (сокративший свое распространение вследствие антропогенной деградации растительных сообществ и / или экотопов).
Природная характеристика района исследования
Территория РТ занимает площадь 68000 км . Она расположена в юго-восточной части Русской равнины и долинами рек Волги, Камы, Вятки и Шешмы делится на орографические и естественноисторические природные регионы — Пред-волжье, Западное Предкамье, Восточное Предкамье, Западное Закамье и Восточное Закамье (Сементовский, 1953; Бутаков, 1993). Характерным для территории республики является наличие границ крупных единиц районирования (на уровне зоны и подзоны, области и провинции) практически по всем основным ландшафтообразую-щим компонентам.
В широтном направлении по территории проходит изолиния гидротермического коэффициента теплого времени года (май-сентябрь) равного единице, определяющая деление территории по климатическим условиям на бореальную, достаточно увлажненную, и лесостепную зону, испытывающую дефицит увлажнения (Колобов, 1968; Переведенцев, 1995).
В соответствии с почвенно-географическим районированием по территории РТ проходит граница между бореальным и суббореальным поясом (Афанасьева и др., 1979). На ее территории отмечаются дерново-подзолистые, серые лесные почвы, оподзоленные, выщелоченные и типичные черноземы.
В соответствии с ботанико-географическим районированием по территории проходят зональные границы подтаежных широколиственно-еловых лесов, широколиственных лесов и луговых степей (Растительность Европейской части СССР, 1980). По современному флористическому районированию по территории РТ проходит северная граница Волжско-Камского, северная и восточная границы Волжского-Донского, северная и западная границы Заволжского флористических районов "Флоры Восточной Европы" (1996).
Согласно комплексному физико-географическому районированию Русской равнины (Исаченко, 1991) по территории проходят границы подтаежной ландшафтной зоны, северной, или широколиственной, и южной подзоны лесостепной ландшафтной зоны. В соответствии с секторальным делением Восточно-Европейской ландшафтной страны по рассматриваемой территории проходят границы ландшафтных областей - Приволжской, Низкого Заволжья и Высокого Заволжья.
В пределах РТ выделено 23 природных района (рис.2.1) (Бакин и др., 2000), называемых в работе ландшафтными и в большей или меньшей степени специфичных по составу флоры и растительности (табл. 2.1).
Природное районирование территории РТ
1. Илетско-Ашитский возвышенно-равнинный район Приуральских широколиствен-но-пихтово-еловых неморальнотравяных и сосново-еловых зеленомошных лесов.
2. Западно-Казанский террасово-долинныи район Восточноевропейских сосновых и широколиственно-сосновых подтаежных лесов.
3. Казанский эрозионно-расчлененный район Приуральских широколиственно еловых неморальнотравяных подтаежных лесов, фрагментами широколиственных лесов, включая и их остепненные варианты.
4. Мешинско-Шумбутский возвышенно-равнинный район Приуральских широколи ственно-пихтово-еловых неморальнотравяных лесов.
5. Правобережно-Вятский эрозионно-равнинный район Приуральских широколист венно-пихтово-еловых неморальнотравяных и сосновых остепненных лесов.
6. Елабужско-Предкамский эрозионно-расчлененный район Приуральских широколиственно-пихтово-еловых неморальнотравяных, сосново широколиственных, сосновых травяных и фрагментами заболоченных пойменных йессНижюекМешинский эрозионно-расчлененный район Среднерусско-волжских широколиственных (липово-дубовых) с елью неморальнотравяных лесов.
8. Прикамский правобережный район Среднерусско-волжских широколиственных (липово-дубовых) неморальнотравяных лесов с участием лесостепных видов.
9. Волго-Мешинский террасово-долинный район Восточноевропейских сосново-широколиственных и сосновых частично остепненных травяных лесов.
10. Волго-Свияжский возвышенный район Среднерусско-волжских широколиственных (липово-дубовых) с елью неморальнотравяных лесов.
11. Цивиль-Кубнинский возвышенный район Среднерусско-волжских широколиственных (липово-дубовых) с елью неморальнотравяных лесов и фрагментами сосново-широколиственных неморально-остепненных лесов.
12. Средне-Свияжский возвышенно-равнинный район Среднерусско-приволжских луговых степей в сочетании с дубовыми и липово-дубовыми лесами с ясенем.
13. Приволжский район Приволжско-заволжских широколиственных лесов (липово-дубовых и дубовых с ясенем) остепненно-травяных лесов.
14. Болгарский долинно-террасовый низменно-равнинный район Восточноевропейских сосново-широколиственных и сосновых частично остепненных травяных лесов.
15. Закамско-Чистопольский равнинный район Закамско-заволжских луговых степей в сочетании с липово-дубовыми и дубовыми остепненно-травяными лесами.
16. Западно-Закамский низменно-равнинный район Приволжско-заволжских широколиственных липово-дубовых и дубовых неморальнотравяных остепненных лесов.
17. Черемшанский низменно-равнинный район Приволжско-заволжских широколиственных липово-дубовых и дубовых неморальнотравяных и пойменных заболоченных лесов.
Материалы и методы исследования
Куйбышевское водохранилище, образовавшееся в среднем течении Волги в 1956 году в связи со строительством Волжской ГЭС, имеет площадь 55 000 га и вытянуто в меридиональном направлении общей протяженностью более 500 км. Максимальная глубина (до 40 м) отмечается в приплотинной части, в среднем для водохранилища характерны глубины 9-Ю м, значительная часть акватории мелководна (2-5 м).
Пойменная терраса Волги до затопления водами водохранилища имела хорошо выработанную пространственную структуру, в которой различались три составляющих элемента — прирусловый увал (наиболее возвышенные участки, сформированные крупнозернистым песком), центральная пойма с озерными понижениями и притеррасное понижение (наиболее переувлажненные участки поймы). В настоящее время над поверхностью воды в виде вытянутых островов поднимаются лишь высокие песчаные прирусловые гривы. Некоторые острова на водохранилище представляют участки первой надпойменной террасы.
Климатические условия на водохранилище характеризуются как умеренно-континентальные, со средними температурами января -12,2-13,5, июля +19,4-20,4. Весной температура воздуха над его акваторией ниже, чем на береговых участках, разница составляет 1,5, иногда до 10-12. Годовая сумма осадков убывает на водохранилище по мере продвижения с севера на юг от 472 мм до 345 мм, большая половина осадков выпадает в теплый период года.
Сезонное регулирование стока на плотине ведет к изменению гидрологических показателей. В связи с колебаниями уровня воды площадь зеркала водохранилища в течение года изменяется от 3 до 6,5 тыс. км2. Основным источником формирования грунтов ложа водохранилища, являются продукты эрозии, идущей на речных террасах и водоразделах. До 90% поступающих наносов остается в водохранилище. Ежегодный средний слой заиления в первые годы существования водоема составлял до 8 мм (Широков, 1966, 1969).
По характеру расположения и интенсивности зарастания береговую линию водохранилища И.Д. Голубева (Голубева и др., 1990) делит на два основных типа: "открытые" русловые участки берегов и "закрытые" участки, включающие приостровные мелководья (глубина 0,7-2,4 м), заливы (глубина до 3,0-4,0 м, ширина мелководья (глубина 0,7-2,4 м), заливы (глубина до 3,0-4,0 м, ширина 40-200 м) и протоки (глубина до 5,0 м, ширина 300-500 м).
Почвенные и растительные условия островов водохранилища характеризуются в зависимости от генезиса острова разнообразным составом, от гидроморфных с доминированием влаголюбивых видов растений до ксерофитных на сухих песчаных субстратах прирусловых островов.
