Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные представления о структуре растительного покрова (литературный обзор) 6
Иерархический подход при анализе природных систем 6
Иерархическая организация растительного покрова 27
ГЛАВА 2. Природные условия и методы исследования лесного покрова водосборного бассейна р. Жилетовки 38
Природные условия объекта исследования 38
Методы исследования растительности бассейна реки Жилетовки 44
Методика исследования динамики лесного покрова 55
Интегрированное представление результатов исследования с применением
ГИС-технологий 56
ГЛАВА 3. Характеристика флоры и лесной растительности водосборного бассейна р. Жилетовки 57
Анализ флоры лесного массива водосборного бассейна р. Жилетовки. 57
Типология и классификация лесных сообществ 63
Пространственная структура растительного покрова 101
ГЛАВА 4. История природопользования и динамика лесного покрова водосборного бассейна р. Жилетовки 114
История природопользования на территории бассейна 114
Динамика лесного покрова за период с XVIII века до конца XX века 118
ВЫВОДЫ 145
Список использованных источников 147
Приложения 162
- Иерархический подход при анализе природных систем
- Природные условия объекта исследования
- Анализ флоры лесного массива водосборного бассейна р. Жилетовки.
Введение к работе
Актуальность темы. Сохранение лесов является необходимым условием поддержания качества среды обитания человеческого общества. Наиболее остро эта проблема стоит в густонаселенных районах Центра Русской равнины, в том числе в Московском регионе. Задачи по разработке систем природопользования, оптимально сочетающих меры по поддержанию биоразнообразия с рациональной эксплуатацией лесов, требуют проведения комплексных исследований модельных территорий с выявлением роли абиогенных, биогенных и антропогенных факторов в формировании лесного покрова. Целый ряд вопросов, связанных с пространственной сопряженностью растительных сообществ, определением динамики землепользования может быть решен только на ландшафтном уровне, в связи с чем перспективен бассейновый подход. Неравномерность и неполнота изученности лесов Московской области определяет актуальность исследования их истории, структуры и динамики с привлечением традиционных и новых методов геоботаники и смежных наук.
Цель и задачи исследования. Целью работы является выявление особенностей структуры лесного растительного покрова в ландшафте моренных и моренно-водноледниковых равнин подзоны хвойно-широколиственных лесов Центра Русской равнины на примере водосборного бассейна р. Жилетовки. В ходе работы решались следующие задачи;
Анализ и обобщение современных представлений о структуре лесного растительного покрова.
Инвентаризация фитоценотического и экотопического разнообразия территории.
Типизация лесных сообществ, флористическая и эколого-ценотическая характеристика выделенных единиц.
Сопоставление фитохор и геохор с определением степени их соответствия.
Выявление основных динамических трендов в растительном покрове. Определение роли антропогенного фактора в формировании структуры растительности исследуемого объекта.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Впервые в ландшафте моренных и моренно-водноледниковых равнин осуществлено детальное комплексное исследование лесного покрова водосборного бассейна.
Результаты геоботанического исследования вошли в банк данных по лесным растительным сообществам и используются специалистами ЦЭПЛ РАН в работах по анализу растительности на разных пространственных уровнях. Создана ГИС «Малинки», включающая следующие карты: топографическую, ландшафтную, план лесных насаждений, материалов исследования, динамики лесных земель.
Впервые для анализа динамики лесного покрова водосборного бассейна были использованы крупномасштабные планы дач Генерального межевания 1768 г. и другие архивные материалы.
Проанализирована породно-возрастная динамика лесного покрова за 50 лет с использованием материалов лесной таксации 1957, 1968, 1990 гг. Материалы работы могут быть использованы научными, природоохранными, лесохозяйственными и учебными организациями.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Бассейновый подход с построением иерархий хорологических единиц биогенной и абиогенной природы позволяет определить закономерности структуры растительного покрова, связанные с особенностями экологических режимов в разных частях бассейна, а также оценить пространственные различия антропогенной трансформации лесного покрова.
Выявлены разномасштабные изменения растительного покрова: на фоне смены форм землепользования в период с конца XVIII в. - по конец XX в. произошло существенное увеличение лесистости территории; в течении XX века шло увеличение среднего возраста насаждений и изменение их породного состава -увеличение доли еловых и уменьшение доли мелколиственных насаждений. Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены на Международной конференции «Экология таежных лесов» (Сыктывкар, 199S), Н(Х) съезде Русского ботанического общества (Санкт-
5 Петербург, 1998), Всероссийской научной конференции «Геоботаника XXI века» (Воронеж, 1999), Международной конференции «Biodiversity and Dynamics of Ecosystems in North Eurasia» (Новосибирск, 2000), симпозиуме IAVS «Global to local perspectives of vegetation science: search for new paradigms for the 21 century» (Нагано, Япония, 2000), Международной конференции по фитоценологаи и систематике высших растений, посвященной 100-летию со дня рождения А.А. Уранова (Москва, 2001), совещании «Лесные стационарные исследования: методы, результаты, перспективы» (Москва, 2001), школе-конференции «Актуальные проблемы геоботаники. Современные направления исследований в России: методологии, методы и способы обработки материалов» (Петрозаводск, 2001).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Благодарности. Автор искренне признателен своему руководителю - д.б.н. Лидии Михайловне Носовой за поддержку, цепные советы и критику; д.б.н. Людмиле Борисовне Заугольновой за научное сотрудничество на протяжении всех этапов работы; к.г.н. Надежде Борисовне Леоновой за совместное участие в полевых исследованиях; всем сотрудникам Лаборатории структурной организации лесных экосистем, участвовавшим в сборе и обработке материалов.
Иерархический подход при анализе природных систем
Признание иерархического строения природных систем стало одной из ведущих парадигм современной науки о Земле (Сочава, 1972; Восточноевропейские..., 1994). В настоящее время иерархическая теория является концептуальной основой для анализа многомасштабных систем и процессов (Allen and Starr, 1982; Acker, Steven, 1990; Collins et al, 1993; Заугольнова, 1999; Wu and Qi, 2000).
Развитие иерархического подхода в экологии связано с достижениями в исследованиях пространственной неоднородности природных систем (геосистем в понимании В.Б. Сочавы), установивших мультимасштабность экологических структур и процессов. На развитие иерархической теории непосредственное влияние оказало также внедрение системного подхода к изучению природных объектов. Как подчеркивает Д.М. Киреев (1980, с. 83) «системный подход к явлениям и системная методика - это лишь отражение объективно существующей в природе организованности, системы всепроникающих взаимосвязей в сознании человека».
Несмотря на то, что зарождение концепций «уровней организации» и «иерархии» восходит к античным временам (Wu, David, 2002), основные достижения в иерархической теории были сделаны сравнительно недавно. О стремительном продвижении иерархического подхода можно судить по данным анализа публикаций ведущих научных экологических журналов, приведенным в работе Wu and Qi (2000). Начиная с 1930-х годов ежегодное число статей, содержащих слова «масштабирование», «иерархия», «иерархии», «иерархический», «иерархическая теория» увеличилось более чем в 50 раз, причем сохраняется тенденция к их экспоненциальному росту.
Такое обострение интереса к проблемам иерархии и масштаба можно связать с существенным изменением подходов к исследованию экологических систем. Традиционно, большая часть практических и теоретических исследований проводилась на площадках небольшого размера и охватывала короткие временные интервалы. В результате об экологических структурах и процессах на локальном уровне накоплена значительная информация, тогда как данных о более широкомасштабных системах относительно немного. Несомненно, что развитие методов дистанционного зондирования, геоинформационных (ГИС) технологий и достижения в компьютерной отрасли представляют потенциал для более успешного проведения экологических исследований в широких диапазонах масштабов. В то же время имеется как минимум две причины, определяющие необходимость исследования природных систем на более высоких, чем локальный уровеиях (Wu, 1999). Первая заключается в том, что эффективное решение многих практических вопросов по управлению окружающей средой и ресурсами возможно только на ландшафтном и региональном уровнях. Вторая фундаментальная причина состоит в том то, что для приближения к пониманию «как работает природа» необходимо анализировать широкомасштабные структуры и процессы и связывать их с процессами и структурами более детальных уровней, о которых накоплено больше данных. В обоих случаях необходима разработка стратегий для перевода и экстраполяции информации с одного масштаба на другой (Burnett, Blaschke, 2003).
Иерархическая теория возникла благодаря исследованиям комплексных систем сразу в ряде дисциплин, включающих науки об управлении, экономику, психологию, биологию, экологию (Marceau, 1999; Wu, 1999; Wu, David, 2002). С одной стороны, ученые находили доказательства обьеісгивности существования природных иерархий, и отмечали преимущества иерархической организованности, в том числе в эволюционном плане. С другой стороны, было показано, что неиерархические комплексные системы практически не могут быть полностью описаны (Wu, David, 2002). Таким образом, иерархический подход рассматривается как эффективный инструмент для уменьшения комплексности, а также выявления и отображения порядка, присущего природным системам.
Созданные человеком природные иерархии неизбежно являются результатом взаимодействия между собственными характеристиками исследуемой системы и особенностями наблюдателя, который изучает систему (Wu, David, 2002). Комплексные природные системы функционирует на различных масштабах, но когда наблюдение происходит с одним разрешением, возможности восприятия ограничены только определенными пространственными характеристиками, остальная (большая часть) информации фильтруется как шум. Однако когда мы рассматриваем природные системы в масштабном контшгууме, подобно съемке видеокамерой, прикрепленной к поднимающемуся воздушному шару, становится возможным выявление последовательности структур, содержащей практически полный объем информации о неоднородности лежащей внизу поверхности (рис. 11).
Природные условия объекта исследования
Район исследования входит в зону влажного климата с теплым летом и умеренно холодной зимой, устойчивым снежным покровом и хорошо выраженными весенним и осенним периодами. Климат района детально охарактеризован в работе СИ. Небольсина (1949) на основе многолетних данных метеостанции Собакино (в настоящее время метеостанция им. СИ. Небольсина).
Среднегодовая температура воздуха +3,8, средняя температура самого холодного месяца (января) -10,6, самого теплого (июля) +17,4. Период с температурами более 5 равен 170 дней (Карпачевский, 1972)
Количество осадков заметно варьирует в разные годы - от 434 мм до 821 мм. Среднее годовое количество осадков 550 мм (171 день с осадками), из них около 70% приходится на теплый период, и треть выпадает в виде снега. Осенью осадков, как правило, больше чем весной. Среднее количество осадков в виде снега 137 мм. Средняя дата установления устойчивого снежного покрова - 22 ноября, схода снежного покрова - 8 апреля. Продолжительность периода со снежным покровом -150 дней. Толщина снежного покрова к концу марта обычно составляет 40-50 см, в отдельные годы - до 60 см. Почва оттаивает к 10-30 апреля (Лесоустройство 1957-1958 гг.). В начале вегетационного периода часты засухи, вызывающие иссушение почвы (Холопова, 1982),
Преобладающими в течение года направлениями ветра являются ветры южных и западных румбов. Средняя скорость ветра - 4,0 м/сек.
Рельеф. Современный рельеф в большой степени определяется строением поверхности коренных пород (Дик, Соловьев, 1947). Данных о рельефе поверхности каменноугольных отложений немного. На исследованной территории кровля карбона уходит ниже уровня реки (абсолютные отметки 148-149 м), что резко сказывается на форме ее долины. Эта непрерывная полоса пониженного рельефа, отдельные звенья которой имеют доюрский возраст, продолжается от р. Пахры на северо-запад к реке Десне (Дик и др., 1949). Основным типом рельефа водораздела рек Пахры и Десны является плоская слабоволнистая моренная равнина с абсолютными высотами от 149 до 206 м (Физико-географическое районирование Нечерноземного Центра, 1963; Бязров и др., 1971; Холопова, 1982). На равнине едва заметны плоские повышения и слабые понижения, подчерк!гутые заболоченностью (Дик, Соловьев, 1947). Долины небольших речек слабо врезаны, склоны их очень пологи, днища широкие, плоские, местами имеют асимметричное строение (Любимова, 1957).
Геология и почвы. Почвы района детально изучены в ходе работ на Малинском биогеоценотическом стационаре (Карпачевский и др., 1968; Карпачевский, 1972; 1977; Холопова, 1982; Холопова, Пузаченко, 1998), а также сотрудниками ТСХА (Троицкий, Шершукова, 1968а, 39686) в окрестностях учебного хозяйства «Михайловское».
Исследуемая территория сложена осадочными породами каменно-угольного и юрского возрастов, перекрытыми четвертичными отложениями. Московская морена представлена валунными суглинками. Моренные отложения перекрыты очень однородными по механическому составу покровными суглинками мощностью от 0,5 до 3 м, являющимися в районе исследования почвообразугощей породой (Холопова, 1982). Представленные в горизонтах А1 и А2 пылеватые средние суглинки к горизонту В утяжеляются до иловато-пылеватого тяжелого суглинка. С этим связан характер изменения водопроницаемости по профилю почв: наибольшей водопроницаемостью обладают гумусовые горизонты, с глубиной она довольно резко снижается. Как следствие происходит формирование относительного водоупора на границе иллювиального горизонта, что приводит к прогрессивному увеличению горизонтальной составляющей переноса (Холопова, Пузаченко, 1998). В результате формируется горизонтальная структура с обедненными, кислыми почвами на возвышенных участках и обогащенными биогенными элементами в понижениях, которая соответствует подчиненно-полугидроморфным дерново-подзолисто-серолесным катенам (Урусевская, 1990), со сменой дерново-подзолистых почв плакоров светло-серыми и серыми лесными почвами склонов и серыми лесными глеевыми почвами подножий склонов.
Проявление дернового и подзолообразовательного процессов в значительной степени связано с парцеллярной структурой растительности. От почв парцелл лиственных пород к почвам еловых парцелл возрастает степень оподзоленности, морфологическая выраженность горизонта А2, уменьшается гумусированность. Реакция почв гумусовых горизонтов более кислая в хвойных насаждениях (в ельнике рН водной вытяжки 4,7), ближе к нейтральной - в лиственных сообществах (в липняке - 5,3).
Значительная часть современной лесной территории в прошлом подвергалась систематической распашке. Старопахотный горизонт А1А2 мощностью около 20 см является четким диагностическим признаком и может быть прослежен в течение длительного времени после появления на данном участке лесной растительности (Баранова, 1987; Якименко, 1987; Скворцова, Якименко, 1991; Карпачевский и др., 2001).
В пойме формируются гидроморфные дерново-подзолисто-глеевые, дерново-глеевые, перегнойно-глеевые и торфяно (торфянисто)-глеевые почвы (Карпачевский и др., 1993).
Ландшафтная структура. Для ландшафтной структуры водосборного бассейна характерно содоминирование двух типов урочищ - моренных равнин и моренно-водиоледниковых равнин (Ландшафты Московской области, 1997). В формировании ландшафтной структуры исследуемой территории решающую роль сыграли события четвертичного периода (Низовцев, Носова, 1992) (рис. 2_2, табл. 2_1).
Анализ флоры лесного массива водосборного бассейна р. Жилетовки
Флора исследуемого района изучена достаточно подробно. В конце XIX века ботаник Ф.В. Бухгольц для гербария естественно-исторического музея в имении «Михайловское» составил список растений района, в первой опубликованной версии 1897 года включавший 480 видов. При продолжении исследований этот список в 1900 г. был расширен до 542 видов (Бухгольц, 1900), а в 1917 г. - до 687 видов. В 1950-1960-х годах флору и растительность района исследовали специалисты Московской Сельскохозяйственной Академии им. К.А. Тимирязева (Немцов, 1969; Методические указания к изучению флоры, 1987), причем в основу составленного ими списка флоры был положен список Ф.В. Бухгольца 1917 года. В результате исследований к нему было добавлено 182 вида, главным образом за счет включения ишродуцированпых и основных культивируемых в районе растений и, в меньшей степени - впервые отмеченных аборигенных видов. Вместе с этим, не было обнаружено 108 видов, которые авторы не стали исключать из списка флоры, а предложили считать находящимися под угрозой исчезновения. В итоге список флоры района (Методические указания к изучению флоры, 1987) насчитывает 869 видов сосудистых растений, относящихся к 105 семействам и 433 родам. Следует также оговорить, что перечисленные выше списки флоры были составлены для значительной по площади территории, охватывающей бассейн среднего и верхнего течения р. Пахры (район исследований ограничен линией, проходящей через Бутово, Щербинку, Подольск, Столбовую, Кресты, Бекасово, Апрелевку, Троицк, Ватутинки, Десну, Остафьево и Битцу).
В 1963 г. под руководством д.б.н. Н.В. Дылиса в Малинках была организована биогеоценологическая станция, на которой проводили исследования разные коллективы, в том числе БИН РАН, ИПЭЭ им. Северцова, Институт Лесоведения РАН, МГУ, МГПИ им, В.И. Ленина. Результаты работ нашли отражение в ряде монографий и статей (Дылис и др., 1970; 1977; Бязров и др., 1971; Солнцева-Эльбе, 1985; Носова, Леонова, 2001). Опубликованные в них списки видов стали дополнительным источником при составлении списка флоры лесов водосборного бассейна р. Жилетовки.
В основе составленного нами списка сосудистых растений района исследования лежат данные геоботанического обследования территории, проведенного в 1996-2002 годах сотрудниками ЦЭПЛ РАН. Специальной цели полного выявления флоры в ходе исследований мы не преследовали, поэтому возможны дополнения данного списка. В то же время на территории бассейна был сделан ряд интересных флористических находок, которые автор считает нужным отразить в данной работе. Отдельно прилагается список мхов, определение которых проведено Е.А, Игнатовой (биофак, МГУ).
Статус редкости видов определялся по следующим сводкам: Красная книга Московской области, 1998; Природа Подольского края, 2001, Методические указания к изучению флоры, 1987.
На исследованной лесной территории водосборного бассейна р. Жилетовки отмечено 235 видов сосудистых растений, входящих в 155 родов и 64 семейства; в том числе плауновидные 2 вида, хвощевидные 4 вида, папоротниковидные 6 видов, голосеменные 3 вида и покрытосеменные 220 видов (Список флоры приводится в Приложении). Латинские названия даны в соответствии со сводкой С.К. Черепанова (Черепанов, 1995). В состав флоры входят 12 видов деревьев, 17 видов кустарников и 206 видов травянистых растений. Список выявленных моховидных включает 65 видов.
Ведущими по числу видов семействами являются: Роасеае (27 видов, 11%), Lamiaceae (15 видов, 6%), Asteraceae (14 видов, 6%), Ranunculaceae (14 видов, 6%), Сурегасеае (13 видов, 5,5%). Результаты анализа таксономической структуры флоры на уровне семейств отражают соответствие исследуемой флоры флорам бореалыю-умеренного типа Голарктики (Толмачев, 1974), для которых характерно лидирующее положение трех семейств - сложноцветных, мятликовых и осоковых.
Географический анализ флоры заключался в составлении и оценке спектра географических элементов , Проведеный анализ показал, что в спектре географических элементов флоры преобладают виды с европейско- азиате ким типом ареала - 24%, циркумполярные - 21%, европейские - 20%, европейско-западноазиатские - 15% и европейско-западносибирские - 13%.
Во флоре лесных массивов водосборного бассейна преобладают виды неморальной ЭЦГ (33%), значительное распространение имеют виды нитрофилыюй (19%), бореальной (17%), луговой (16%) и водно-болотной групп (9%), участие остальных групп незначительно (Табл. 3_1).
