Введение к работе
Актуальность исследований. Среди наиболее масштабных и приоритетных проблем, стоящих перед человечеством, ведущее место занимает проблема сохранения биосферы Земли, порожденная интенсивной антропогенной деградацией окружающей природной среды.
Современной цивилизации, по мнению ведущих ученых-экологов, грозит глобальная экологическая катастрофа, обусловленная тем, что деятельность человечества стала самым мощным геологическим и геохимическим фактором, изменяющим лик планеты Земля (Яншин А.Л., 1998). Продолжается масштабное истощение природных ресурсов, ухудшение газового состава атмосферы, загрязнение природных вод и деградация земель. Так, согласно Мировой обзорной карте антропогенной деградации почв (WLASOD, 1991), этим процессом охвачены около 2 млрд. га, из которых примерно 16% находятся в стадии сильной деградации, 46%-умеренной и 38% - слабой (Добровольский Г.В., 1998). Наблюдается активное сведение лесов - важнейшей составной части биосферы и стабилизатора природной среды. За последние 100 лет лесные площади планеты сократились примерно на 15 млн. кмг, что* составляет около трети общей их площади (Сухих В.И., 1998).
Такого рода негативные (подчас необратимые) изменения происходят на фоне планетарного химического загрязнения экосистем, особенно в ландшафтах мегаполисов, промышленных центров и т.д. Здесь наряду с загрязнением отмечается повышенная концентрация токсикантов в трофических цепях. Это значительно ухудшает условия проживания населения, может служить причиной роста различных заболеваний, в том числе на генетическом уровне. В настоящее время примерно 6% детей рождается с отклонениями от нормального генетического кода. Если число таких детей достигнет 11%, могут наступить непредсказуемые демографические последствия.
Сейчас в городах проживает примерно три четверти населения планеты, и урбанизация имеет тенденцию к росту (Почва, город, экология..., 1997). В связи с этим особую значимость приобретают вопросы изучения и оценки факторов и механизмов охраны и рационального использования естественного природного потенциала, повышения устойчивости экосистем и комфортности проживания людей. К числу таких естественных факторов относятся в первую очередь зеленые лесопарковые насаждения, играющие важную оздоровительную роль в условиях городов. Однако нельзя упускать из виду, что зеленые насаждения городов подвержены достаточно существенному антропогенному воздействию. В силу ряда объективных и субъективных причин, в том числе и низкой экологической культуры, санитарно-гигиенические и иные функции «зеленых легких» больших городов не в полной мере способствуют оздоровлению окружающей природной среды. Эта ситуация явно усугубляется из-за сокращения площадей и ухудшения качества зеленых насаждений в городах (Состояние зеленых насаждений..., 2001).
Для предотвращения необратимых последствий деградации зеленых насаждений урбанизованных территорий, оптимизации условий их произрастания несомненный теоретический и практический интерес представляют изучение экологических факторов, влияющих на формирование и устойчивое функционирование насаждений, понимание механизмов, происходящих в экосистемах процессов, а также разработка и применение эколого-технологических приемов снижения отрицательного антропогенного влияния.
Аргументированный ответ на указанные вопросы можно получить лишь на ос нове долговременных комплексных исследований лесных и лесопарковых экосистем Именно лесные древостой и почвенный покров служат мощным биогеохимическим барьером на пути миграции различных токсикантов техногенной природы (Яшин И М, Шишов Л Л , Раскатов В А , 2000)
Вышеизложенное предопределило выбор темы, цель и задачи исследования
Цеіь и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в том, чтобы дать теоретико-методологическое обоснование особенностей произрастания древесной растительности в лесопарковых ландшафтах мегаполиса при избыточной антропогенной нагрузке, обосновать целесообразные пути оценки экологической ситуации и разработать научно-практические рекомендации по формированию стратегии оптимизация функционирования лесопарковых территорий
В соответствии с этой цепью была предпринята попытка решить следующие задачи
изучить на участках леса с различной антропогенной нагрузкой и на посто янных пробных площадях Лесной опытной дачи Московской сельскохозяйственной академии им К А.Тимирязева (далее - ЛОД МСХА) лесорастительные (морфологические, физические, физико-химические, биологические) свойства почв,
изучить формы и масштабы химического загрязнения почв песопаркового ландшафта,
исследовать особенности обеспечения почв основными биогенными эчемен-тами в условиях различного антропогенного воздействия,
оценить многолетние естественные и антропогенные изменения свойств почв ЛОД и их влияние на состояние древесных растений,
изучить влияние нерегупируемой рекреации на состояние природного комплекса ЛОД,
оценить характер и направленность изменений микробиологической компоненты почв в зависимости от техногенных нагрузок на экосистемы,
оценить на примере природного комплекса ЛОД тенденции изменения эко-тогической обстановки мегаполиса,
разработать систему тестовых микробиологических показателей для оценки состояния древесных пород и «здоровья» почвы,
оценить в динамике экологическую обстановку в ряде районов г Москвы за период научных наблюдений на ЛОД с 1869 по 2000 гг ,
- разработать методологические принципы оценки эколого-экономического
ущерба, обусловленного химическим загрязнением и переуплотнением почв в іес-
ных угодьях рекреационного назначения
Цель и задачи иссзедования определили его логику и структуру работы Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней на основе изуче ния причинно-следственных связей разработана на примере ЛОД научно обоснованная стратегия оптимизации функционирования тесопарковых чандшафтов мегапо >и са и предложена система мер, направлечных на ее реализацию
Наибоїее существенные результаты, полученные в ходе исследования, и их научная новизна состоят в стедуюшем
- на основе системы комплексных биохимических, эколого-физиологаческих и
эко1ого-токсикологическнх оценок, полученных посредством сопряженных методов
структурно-функционального анализа результатов почвенных и микробиологических
исследований, изучены условия и закономерности антропогенной деградации лесных и лесопарковых экосистем;
- обоснованы принципы комплексной оценки системы почва-растение в усло
виях повышенной антропогенной нагрузки;
выявлены почвенно-экояогические параметры, позволяющие судить о вероятности ухудшения экологической обстановки в лесных ландшафтах мегаполиса;
разработан метод почвенно-микробиологического мониторинга лесопарковых ландшафтов;
дана экологическая оценка токсичности ряда тяжелых металлов (ТМ) в системе почва-растение, позволяющая более обоснованно решать вопросы экологического нормирования;
установлен «пороговый» уровень свинцового загрязнения дерново-подзолистой почвы, за которым снижается ее самоочищающая способность;
выявлено изменение подвижности тяжелых металлов под влиянием уплотнения почвы;
установлено разуплотняющее действие лиственничных насаждений на дерново-подзолистые почвы;
рассчяташ величина массы микробного азота, вовлекаемого в биологический круговорот в зависимости от уровня антропогенных воздействий;
установлено, что одной из причин заметного снижения устойчивости лесных насаждений при антропогенной нагрузке в городских условиях являются токсичные продукты метаболизма микроскопических грибов;
разработан метод оценки эколого-экономического ущерба в результате химического загрязнения и переуплотнения почвенного покрова в городских и пригородных лесах;
на материалах ЛОД исследован характер изменений гумусово-аккумулятив-ного горизонта дерново-подзолистых почв и оценены особенности накопления в них органических веществ;
- на основе изучения 140 пробных площадей достоверно установлено, что в
почвах ЛОД МСХА в настоящее время процесс гумусообразования более активен в
парцеллах с лиственными древесными породами.
Основные положения диссертации, являющиеся предметом защиты. На защиту выносится концепция оценки состояния и трансформации системы почва-растение под воздействием длительных и интенсивных антропогенных нагрузок, особенно проявляющихся в загрязнении тяжелыми металлами и переуплотнении почв, и путей оптимизации экологической ситуации мегаполисов, базирующаяся на следующих положениях:
- состояние и устойчивость зеленых насаждений и выполнение ими санитарно-
гигиенических и иных функций, направленных на оздоровление окружающей при
родной среды, неразрывно связано с функционированием почв — источников обеспе
чения растений макро- и микроэлементами питания, биологическими стимуляторами,
фитосанитарной зашитой; вместе с тем при значительной техногенной нагрузке поч
ва, аккумулируя токсичные соединения и превращаясь в «депо» токсикантов, изме
няя характер процессов почвообразования и, как следствие, характер метаболизма
населяющих ее живых организмов, сама становится источником экологической опас
ности для растений и биоты; усугубляет эту ситуацию нерегулируемая рекреация,
вызывающая значительное переуплотнение почвы и связанное с ним увеличение миграционной активности тяжелых металтов,
- комплексный подход к изучению и опенке взаимосвязей в системе почва-растение позволил разработать совокупность микробиологических показателей-тестов для диагностики состояния лесных ценозов и сформулировать методологические принципы оценки эколого-экономического ущерба от загрязнения и уплотнения почвы в тесопарковых экосистемах мегаполиса Москва (на примере ЛОД),- почва, обладающая уникальным свойством «памяти», является емким источником экологической информации об этапах ее эволюции Проведенные нами на этой основе сравнительные исстедования позволили на материалах ЛОД МСХА установить весьма существенное (в 40-50 раз) ухудшение экологической обстановки
Практическая значимость диссертационной работы На основе полевого картирования нами составлена детальная почвенная карта 140 постоянных пробных площадей Лесной опытной дачи МСХА и собрана коллекция более 500 почвенных образцов по генетическим горизонтам Сведения о почвенном покрове в зависимости от породною состава древостоя, его структуры, возраста и загрязнения позволяют на экологической основе подойти к размещению древесных пород с целью создания ус тойчивых и продуктивных чесонасаждений, максимально оздоровляющих городскую среду, а также выявить критерии продуктивности и уточнить функции тесных почв Кроме того, полученная информация является базовой для составления почвенно-экологической карты ЛОД, экологического картографирования территории Северного округа г Москвы Собранная автором котаекция почвенных образцов является основополагающей для последующего мониторинга влияния антропогенеза на сие темы почва-растение лесопарковых ландшафтов г Москвы
Разработанные интегральные почвенно-микробиологические показатели, в отличие от традиционных, позволяют уже на ранних этапах диагностировать степень опасности загрязнения экосистем Это позвотяет не точько заметно снизить затраты на восстановление нарушенных территорий, но и предотвратить необратимые го-спедствия от химического загрязнения р переуплотнения почвы, деградации экосистем
Использование полученных нами оценочных показателей совместно і, имеющимися результатами почвенных исследований позволило провести компіексіпло почвенно-жогогическуто оценку изучаемой территории с учетом ее эволюции и современного состояния
Выявленное нами изменение плотности почвы под влиянием различных древесных пород и связанное с ним варьирование миграционной активности ряда тяжелых металлов дало основание для рекоментации выражать концентрации ТМ в почвах с различной птотностью не точько в единицах массы, но и в объемных единицах, тибо «выравнивать» значения плотности почвы в уплотняемом слое Данное обстоятельство необходимо учитывать при мониторинге почвенного покрова, гочченно-зколоіическом картографировании, оценке ущерба от загрязнения и др
Наряду с высокой устойчивостью лиственницы к загрязнению ) становлено ее разуплотняющее действие Это стужит основанием рекомендовать данную древесную породу для рекреационных территорий г Москвы
Разработан метод оценки эхотого-экономического ущерба от загрязнения и переуплотнения почвы, который позвотяет дифференцированно решать вопросы об
установлении платы за сверхнормативное использование и загрязнение окружающей среды.
При оценке устойчивости системы почва-растение, экологическом нормировании и тл. в качестве индикатора «здоровья» почвы целесообразно использовать количественные характеристики наличия грибных метаболитов.
Представленные в диссертации результаты исследований позволяют также решать обширный спектр задач, связанных с реабилитацией загрязненных территорий, выбором мест создания лесопарковых ландшафтов и т.д.
Полученные результат длительных натурных и лабораторных исследований используются в курсах лекций по общей и сельскохозяйственной экологии, сельскохозяйственной экотоксикологии, охране природы с основами экологии, читаемых в МСХА им.К.А.Тимирязева, Московском ГАУ им.ВЛ.Горячкина.
Апробация основных положений работы и публикация результатов исследований. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных съездах, симпозиумах, конференциях и др. В том числе: Международном симпозиуме «Тяжелые металлы в окружающей среде» (г.Пушкино, 1996 г.), XXVII Интернациональном сельскохозяйственном педагогическом коллоквиуме (Голландия, г. Вагенинген, 1997 г.), VII съезде Всесоюзного микробиологического общества (г. Алма-Ата, 1985 г.) II съезде почвоведов (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), III съезде Докучаевского общества почвоведов (г. Суздаль, 2000 г.), всесоюзных и всероссийских научных конференциях (гМосква, 1983, 1986, 1993 и 1997 гг.; МЛТИ, 1985 г.; г. Каунас, 1986 г.; г. Брянск, 1988 г.; г.Нгокний Новгород, 1991 г., ежегодных научных конференциях МСХА им. К.А. Тимирязева. Дважды результаты исследований экспонировались на ВДНХ СССР. За разработку почвенно-микробиологических показателей-тестов автор в 1991г. награждена серебряной медалью ВДНХ СССР.
По теме диссертации опубликовано 50 работ, в том числе учебник (в соавторстве) и три учебных пособия.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на-34/стр. компьютерного текста, включает 6S таблиц, 45 рисунков, 13 приложений. Работа состоит из введения, 13 глав, выводов и приложения. Список использованной литературы содержит 594 наименований, в том числе 73 на иностранных языках.
