Содержание к диссертации
Введение
Глава I Функционально-экологическая оценка почв в системе мониторинга городских экосистем
1.1 Экологические проблемы городских территорий 8
1.2 Экологические функции особо охраняемых природных территорий мегаполисов
1.3 Лесные экосистемы в структуре ООПТ Москвы 19
1.4 Экологические функции почв как ключевого элемента природных систем мегаполиса
1.5 Исследование ООПТ в системе экологического мониторинга г. Москва
1.6 Почвенно-экологический мониторинг фоновых экосистем мегаполиса
1.7 Приоритетные задачи информационно-экологического обеспечения мониторинга экологического состояния почв
Глава II Объекты и методы исследований 46
2.1 Природно-экологическая характеристика Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
2.2 Краткая характеристика основных объектов исследования (ключевые участки) 2.3 Структурная организация и информационное обеспечение мониторинговых наблюдений
2.4 Методы исследования 58
Глава III Современное состояние растительного покрова и лесных подзолистых почв на представительных участках ЛОД РГАУ-МСХА
3.1 Комплексная характеристика состояния растительности и лесных подзолистых почв на вершине моренного холма
3.2 Комплексная характеристика состояния растительности и лесных подзолистых почв на подошве северо-восточного склона
3.3 Комплексная характеристика состояния растительности и лесных подзолистых почв на слабовогнутом склоне северно-восточной экспозиции
3.4 Комплексная характеристика состояния растительности и лесных подзолистых почв на пологом склоне юго-западной экспозиции
3.5 Комплексная характеристика состояния растительности и лесных подзолистых почв на подошве юго-западного склона
Глава IV Оценка функционального качества почв ключевых участков мониторинга ЛОД
4.1 Анализ экологической функции почв по регулированию состава атмосферного воздуха
4.2 Анализ лесорастительной функции почв 117
4.3 Анализ рекреационной функции почв 121
Глава V Экологическая оценка устойчивости к рекреационной нагрузке почв ключевых участков мониторинга ЛОД
5.1 Анализ основных параметров почв на участках с разным уровнем рекреационной нагрузки
5.2. Оценка биологической активности почв участков с разным уровнем рекреационной нагрузки
Выводы 134
Список литературы
- Лесные экосистемы в структуре ООПТ Москвы
- Краткая характеристика основных объектов исследования (ключевые участки)
- Комплексная характеристика состояния растительности и лесных подзолистых почв на подошве северо-восточного склона
- Анализ рекреационной функции почв
Лесные экосистемы в структуре ООПТ Москвы
Так для территории Московского мегаполиса наблюдается превышение значения допустимого среднесуточного норматива в 1,1 раза по диоксиду азота (преимущественно вблизи автотрасс), по приземному озону в 1,4 раза4 , по формальдегиду и стиролу в 2 раза (только вблизи автотрасс), по взвешенным веществам PM10 в 1,2 раза.
Повторяемость превышений среднесуточных концентраций предельно-допустимых составляла: — по диоксиду азота до 97% вблизи автодорог и до 61% для селитебных территорий; — по оксиду азота до 43% вблизи автодорог и до 15% на жилых территориях при неблагоприятных для рассеивания метеорологических условиях; — по оксиду углерода превышения отмечались только при неблагоприятных для рассеивания метеорологических условиях, повторяемость превышения составила менее 1%; — по мелким взвешенным частицам до 10% в районе Косино-Ухтомский, менее 1% в других районах; — по приземному озону от 46% до 60%; — по диоксиду серы менее 1% (превышения наблюдались только в периоды использования мазута объектами теплоэнергетики); — по формальдегиду до 65% (только вблизи автодорог) (Кульбачевский, 2012).
К наиболее распространенным загрязнителям почв относят тяжелые металлы, дикосины, стойкие органические соединения, полихлорированые бифенилы (ПХБ), полиаромтиеческие углеводороды (ПАУ), пестициды.
ПДК по содержанию ПХБ в почвах в составляет 0,06 мг/кг. Среднее содержание ПХБ (суммарно) в почвах Москвы составляет 0,34 мг/кг (наблюдаемые уровни находятся в диапазоне от 0,008 мг/кг до 10,7 мг/кг). Повышенное содержание ПАУ отмечено для промышленных территорий и остается в пределах нормы в жилой зоне. Справедливо будет отметить, что существенной проблемой остается отсутствие утвержднных нормативов содержания в почве ряда загрязняющих веществ, например диоксинов, из ПАУ норматив установлен только для бензаперена (200 мкг/кг или 0,2 мг/кг) (Стольберг, 2000, Кульбачевский, 2012). К другой не менее важной проблеме почвенного покрова городов относят запечатанность территории (Качан, 2007). По данным Мосэкомониторинга средний уровень запечатанности почв Москвы составляет 58,6%, достигая в центральной части города 90%.
Одним из следствий запечатанности почвенного покрова, а также другой, не менее существенной, проблемой мегаполисов является возникновение «островов тепла» - повышение температуры воздуха в городе на 1-8С по сравнению с естественными территориями (Ландсберг, 1983, Лаппо, 2000). В сочетании с нарушениями условий для циркуляции воздушных масс в городе повышение температуры обеспечивает дискомфортные климатические условия, приводящие к ухудшению самочувствия жителей (Синкевич, 1997; Тетиор, 1999; Стольберг, 2000,).
Традиционно экологический каркас города составляют озелененные территории – лесопарки, парки, газоны, скверы. Однако и тут не все благополучно. Масштабная урбанизация Московского региона за последнее десятилетие отразилась на состоянии древесных насаждений и лесов как Москвы и ближнего Подмосковья. Вдоль автомагистралей наблюдается массовое усыхание деревьев, вследствие летнего перегрева и техногенных воздействий урбанизированной среды. Заметно ухудшилось состояние таких типичных пород региона как ель и береза, существенно ухудшилась их способность к возобновлению (Владимиров, 1999; Об утверждении…, 2007).
Микроклимат Москвы под воздействием урбанизации становится все менее пригодным для нормального развития даже наиболее устойчивых к техногенным факторам пород деревьев. Так листопад во многих регионах города начинается уже в середине лета (Качан, 2007,). Неблагоприятный для деревьев лесной зоны микроклимат мегаполиса, прежде всего проявляется в летней жаре, иссушении корнеобитаемого слоя, существенных перепадах температур в зимнее время, позднем выпадении снега и как следствие промерзании почвы, постоянной запыленности и загрязненности воздушной среды, сильными ветрами в районах с высотной застройкой (Нерешенные…, 2012).
Негативное влияние оказывают «вредные» для древостоя методы содержания и ухода за озелененными территориями, такие как — постоянное скашивание травянистой растительности, удаление листового опада, которые с одной стороны обогащают почву перегноем, с другой - защищают корнеобитаемый слой летом от перегрева и иссушения, или промерзания в зимний период. Регулярная обрезка крон проводится без учета фенологических особенностей деревьев и имеет исключительно «декоративный», что часто приводит к ухудшению состояния и гибели древостоя (Лаппо, 2000; Поляков, 2000; Нерешенные…, 2012).
В озеленении часто используется крупномерный посадочный материал, который, малоустойчив при пересадке. Не принимаются во внимание биолого-экологические требования разных пород деревьев к условиям произрастания и устойчивость к антропогенной нагрузке. Так, береза и ель, малоустойчивые к техногенной нагрузке, высаживаются вблизи с проезжей частью, светолюбивые сосны и лиственницы — под сомкнутый полог высокоствольных деревьев (Поляков, 2000; Нерешенные…, 2012; Кульбачевский, 2012).
Краткая характеристика основных объектов исследования (ключевые участки)
Одним из важнейших элементов системы природоохранных комплексных мер является создание особо охраняемых природных территорий (ООПТ). Основной задачей ООПТ является поддержание стабильного функционирования природной среды путем установления особых режимов природопользования (Агроэкология, 2000, Уткин, 2009). В комплексе с другими природоохранными мероприятиями создание ООПТ должно способствовать поддержанию экологического равновесия и благоприятной среды для жизнедеятельности людей. 15 февраля 1995 г. был принят Федеральный Закон № 33 "Об особо охраняемых природных территориях", который, в настоящее время, определяет статус ООПТ.
Особо охраняемые природные территории (ООПТ) - участки земной и водной поверхности, а также воздушного пространства над ними, где располагаются природные комплексы и объекты, которые имеют особое природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, которые изъяты решениями органов государственной власти полностью или частично из хозяйственного использования и для которых установлен режим особой охраны (ФЗ №33 от 15.02.1995). Особо охраняемые природные территории относятся к объектам общенационального достояния (Тырлышкин, 2002; Мелехов, 2007).
Общая площадь ООПТ в России 80 млн. га или 11% всей территории. ООПТ являются важнейшим средством сохранения биологического разнообразия и предназначены для сохранения типичных и уникальных природных ландшафтов, разнообразия животного и растительного мира объектов природного и культурного наследия (Арустамова, 2002).
Кроме того, ООПТ необходимы как эталоны относительно нетронутой природы различных географических поясов для определения степени нарушености остальных экосистем, таким образом, им принадлежит очень важная роль в системе экологического мониторинга (Schuhwerk, 2008).
ООПТ представлены следующими категориями: государственные природные заповедники, в том числе биосферные заповедники; национальные парки; природные парки; государственные природные заказники; памятники природы; дендрологические парки и ботанические сады.
Сегодня в России существует порядка 102 государственных природных заповедника, 43 национальных парка, 70 федеральных заказников, 59 региональных природных парков. Кроме этого существует 2194 региональных заказников и 7236 памятников природы (Букварева. 2010).
В составе ООПТ широко представлены лесные массивы, которые, кроме того, занимают существенную часть земельного фонда нашей страны - 69%.
Согласно существующей классификации, по хозяйственному и природоохранному значению леса подразделяются на 4 основные группы. В I группу включаются леса, выполняющие защитные, санитарно гигиенические, водоохранные или рекреационные функции (2 % площади лесного фонда). II группа (около 10 % лесного фонда) - леса, с ограниченной эксплуатацией вследствие истощения, вызванного вырубками в предшествующие годы. Они расположены вблизи промышленных центров и выполняют защитную функцию. В этих лесах допустимо проведение лесозаготовок, но их масштабы не должны превышать возможностей воспроизводства. Леса III группы (70 % лесного фонда) расположены в районах с высокой лесистостью, это основным источником сырья для нужд экономики (Казанская, 1977, Арустамова, 2002).
По мере угнетения природной среды и усугубления кризисных экологических ситуаций значение ООПТ постоянно возрастает. Они способствуют поддержанию общего и регионального балансов и сохранению природно-ресурсного потенциала. Создание комплексных природоохранных зон направлено не только на решение проблем охраны природы, улучшение окружающей среды, но и на рационализацию использования природных ресурсов для отдыха, лечения и туризма. Зеленые зоны городов и поселков городского типа – взаимосвязанные в эстетическом и экологическом отношении гармоничные системы архитектурно сформированных элементов ландшафтных комплексов (естественных ландшафтов, строительных, дорожных и садово-парковых объектов, городских агломераций и др.) и окружающего пригородного района служат также для экологического просвящения и воспитания (Реймерс, 1992; Виноградов, 1997; Уткин, 2009).
Основными элементами ООПТ являются следующие компоненты: растительность, представленная напочвенным покровом и зелеными насаждениями, типичная фауна, ландшафт и почвенный покров. Зеленые насаждения являются основным каркасным элементом ООПТ и выполняют ряд принципиальных и наиболее значимых функций, которые можно поделить на две группы: санитарно-гигиенические и декоративно-планировочные (Владимиров, 1999; Стольберг, 2010).
Декоративно-планировочная группа функций подразделяется на ландшафтообразующую, планировочную и рекреационную. Зеленые насаждения в городе являются важным «строительным» элементом и часто используются для зонирования городской территории: отделение дорог от прилегающей территории, разграничение жилых кварталов, выделение детских и спортивных площадок
Комплексная характеристика состояния растительности и лесных подзолистых почв на подошве северо-восточного склона
На водораздельной части пологого моренного холма располагается ключевой участок исследования №3-ВМХ.
Древесная растительность представлена двумя ярусами, подлеском и подростом (табл. 3.1.1). В I ярусе преобладает дуб черешчатый (Quercus robur) с липой сердцевидной (Tilla cordata), отмечаются отдельные экземпляры сосны обыкновенной (Pinus sylvestris), во II-м ярусе преобладают клен остролистный (Аcer platanodes) и липа сердцевидная (Tilla cordata), встречается вяз гладкий (Ulmus laevis); в подросте наиболее распространен клен остролистный (Аcer platanodes). Напочвенный покров представлен в основном копытнем европейским (Asarum Europeum) и будрой плющевидной (Gleochoma hederacea), реже встречаются звездчатка дубравная (Stellaria nemorum), парцеллы щитовника мужского (Dryopterys filix-mas). В целом, напочвенный растительный покров не сплошной, относительно равномерно распределенный по территории. Площадь проективного покрытия 45-60%.
Состав древостоя на ключевом участке ВМХ Название Кол-во, шт. Коэф. сост. Формула насаждений Дуб обыкновенный (Quercus robur) 16 шт. 2Д (2Д3К2Лп+С+К+Вз) Клен остролистный (Acer platanodes) 25 шт. 1,6 Липа сердцелистная (Tilia cordata) 15 шт. 2,4 Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris) 7 шт. 1,9 Вяз гладкий (Ulmus laevis) 4 шт. 1,5 Береза повислая (Betula pendula) 2 шт. 3,5 Для ключевого участка характерна дерново-подзолистая легкосуглинистая почва, признаки оглеения проявляются с глубины 40-45 см в элювиальном горизонте. Почвообразующая порода: покровный суглинок, подстилаемый мореной. Участок характеризуется глубоким залеганием грунтовых вод, которые не были обнаружены при закладке разрезов. Название почвы: Дерново-подзолистая легкосуглинистая глееватая ненасыщенная глубокоосветленная на покровном суглинке. Морфологическое описание представительного разреза ВМХ (с использованием материалов Буриновой Б.В., 2011)
Подстилка промежуточного типа мулль-модер, средней степени разлаженности, темно-серой окраски, свежая, легко отделяется от лежащего ниже гумусово-аккумулятивного горизонта
Гумусово-аккумулятивный горизонт свежий, с однородной темно-серой окраской, по гранулометрическому составу представляет собой легкий суглинок, структура мелкокомковато порошистая, сложение рыхлое, в горизонте присутствует большое количество корней, органических остатков, переход в следующий горизонт различим по цвету и плотности, граница слабоволнистая.
Горизонт свежий, с неоднородной окраской, характеризующейся присутствием на светло-буром фоне осветленныех светло-серых пятен, по гранулометрическому составу представляет собой легкий суглинок, структура мелко-комковатая, плотность выше предыдущего горизонта, характеризуется большим количеством корней, встречаются мелкие Fe-Mn примазки, кварцевые включения, переход в последующий горизонт различим по цвету и плотности, граница слабоволнистая.
ELl(f) 16-42 см Элювиальный горизонт свежий, по окраске близок к 26 предыдущему горизонту: на светло-буром фоне белесые пятна, гран. состав - легкий суглинок, структура комковато-плитчатая, структура сложения плотная, встречаются Fe-Mn примазки охристых тонов, корни представлены единично, переход в следующий горизонт с волнистой границей заметный по плотности.
EL2(g) 42-53 см Свежий с неоднородной окраской: общий фон светлый белесый с сизоватыми и охристо-ржавыми пятнами, по гран. составу - легкий суглинок, структура мелкоплитчатая, сложение плотнее предыдущего горизонта. Встречаются Fe-Mn примазки и не крупные конкреции. Переход различим по цвету, граница слабоволнистая.
BEL(g) 53-64 см Свежий, с неоднородной окраской, характеризующейся 11 наличием белесых пятен на буроватом фоне, легкий суглинок, структурное сложение менее плотное, структура не выражена, заметны кварцевые включения и мелкие железистые примазки. Переход отличим по плотности, граница слабоволнистая. Вtg 64-80 см Иллювиальный горизонт влажноватый, неоднородная бурая окраска с сизыми потеками, средний суглинок, структура комковато-призматическая, заметны железисто-глинистые пленки на гранях структурных отдельностей. Переход в последующий горизонт ясный по структуре, граница ровная. ВС 120 см Влажноватый, неоднородной окраски бурого тона с сизоватыми вкраплениями, по гранулометрическому составу представляет собой средний суглинок, бесструктурный, сложение очень плотное.
Для вершины моренного холма характерны сильнокислые почвы со значением рН 3,91±0,16, уровень кислотности незначительно меняется по профилю. Почвы ключевого участка характеризуются значительным содержанием гумуса в гумусовом горизонте 3,24±0,77% (табл. 3.1.3), что несколько выше, чем отмечалось в более ранних исследованиях (Васенев и др., 2004), это может объясняться развитым дерновым процессом и образованием органического вещества за счет активного разложения листвы, преобладающих здесь лиственных пород. Содержание гумуса по профилю постепенно уменьшается до 0,39±0,07%.
Содержание подвижного фосфора характеризуется значительной неоднородностью и заметно варьировало в изучаемых образцах. Наибольшее количество подвижного фосфора отмечалось в гумусово-элювиальном горизонте 129,77±44,52 мг/кг, с глубиной количество фосфора заметно сокращалось, достигая в иллювиальном горизонте значения 17,95±4,77 мг/кг.
Анализ рекреационной функции почв
В течение одного сезона для всех лет наблюдения отмечалось постепенное снижение влажности почвы к августу и постепенное прогревание почвы, в 2012 и 2013 август был достаточно холодным, в связи с чем температура почвы от июля к августу снижалась.
Как и на других участках исследования с 2009 по 2013 отмечено повышение кислотности исследуемых почв, однако на данном участке подкисление выражено менее сильно - около 0,4 для рН водной вытяжки и 0,3 – солевой.
В течение сезона, как и на других участках мониторинга, с мая по июнь величина рН уменьшается с 4,35 до 4,12 для водной вытяжки, и с 3,93 до 3,72 для солевой, с июня к августу рН растет для солевой вытяжки и достигает значения 4,16. Для водной вытяжки характерно повышение рН в июле (до 4,38) с незначительным снижением далее в августе (до 4,19).
Динамика биологической активности почвы участка СЮЗ В результате многолетних периодических наблюдений за динамикой биологической активности почвы на участке, расположенном на удлиненном склоне холма юго-западной экспозиции, выявлена значительная сезонная и межсезонная динамика почвенного дыхания (табл. 3.4.4). Таблица 3.4.4
В среднем в период с мая по август эмиссия СО2 составила 17,31 кг/гач. Однако этот показатель отличается высокой степенью варьирования, как в течение сезона, так и в разные годы. Так, CV для усредненных значений по разным годам исследования составляет 9 %, а за все время исследований – 54%. Наиболее высоким значением эмиссии характеризуется сезон 2009 г., когда среднее значение составило 23,23 кг/гач, минимальной величиной эмиссии характеризуется сезон 2012 г., среднее значение эмиссии составило 13,05 кг/гач.
В течение вегетационного сезона происходит постепенное снижение выделения СО2 почвами с мая по август, при этом, в августе почвенное дыхание на 70-82% меньше чем в мае.
Детальные во времени наблюдения за почвенным потоком СО2 показали, что наибольшее значение эмиссии характерно для летнего периода (рис. 3.4.2). В отличие от других участков, снижение величины потока начинается на данном участке с начала августа. Максимальное значение потока было зафиксировано в начале августа и составило – 31,75 г/м2 день, соответственно. В летний период почвенное дыхание колебалось в пределах 18,5 – 27,5 г/м2 день. Начиная с августа, как уже было отмечено, наблюдалось устойчивое снижение почвенного дыхания. Пиков эмиссии СО2 в осенний период, в периоды потепления, не выявлено. Сезонная динамика почвенного потока СО2 (А), температуры и влажности почвы (В) в верхнем почвенном горизонте (h=15 см)
При анализе взаимосвязи эмиссии СО2 с температурой и влажностью почвы, выявлено, что температура оказывает существенное воздействия на этот показатель и является, как и для других участков, основным определяющим и лимитирующим дыхание фактором – r2 составил 0,9, в то время как с влажностью r2 составил - 0,6 или, если рассматривать только вегетационный период – 0,5. Таким образом, если повышение температуры оказывало благоприятное воздействие на биологическую активность почвы, то влажность, наоборот, оказывала негативное воздействие, что может быть связано с переувлажннностью почв участка.
Почвенные потоки метана участка, расположенного на удлиненном склоне юго-западной экспозиции характеризуются заметным варьированием (рис. 3.4.3). В целом, как и для других участков, сток метана здесь преобладает над выделением. В среднем, в течение сезона сток составляет 0,25 мг/м2 день. В отдельные дни поглощение может достигать 2 мг/м2 день.
Наряду с поглощением метана, было зафиксировано выделение метана. Так, выделение метана было отмечено 2 июля и составило 0,93 мг/м2 день и 4 июня – 0,3. Корреляция с влажность не обнаружена, коэффициент корреляции менее - 0,1.
Комплексная характеристика состояния растительности и лесных подзолистых почв на подошве склона моренного холма юго-западной экспозиции
Ключевой участок исследования № 5 (ПЮЗ) располагается на подошве пологого слабовогнутого склона повышенной длины юго-западной экспозиции.
Растительный покров представлен двумя древесными ярусами, подростом и подлеском, хорошо развита напочвенная растительность. Тип леса характерный для участка следует назвать сосняком щитовнико осоковым (табл. 3.5.1). В I древесном ярусе отмечается преобладание сосны обыкновенной (Pinus sylvestris), отдельные экземпляры лиственицы и березы, во II ярусе преобладает клен остролистный (Acer plantanoides) и присутствует липа сердцлистная (Tilia cordata). Подлесок представлен рябиной обыкновенной (Srbus aucupria) и лещиной обыкновенной (Corylus avellana). Подрост представлен кленом и молодыми деревцами липы.
Клен остролистный (Acer plantanoides) 53 шт. 1,4 Липасердцелистная(Tilia cordata) 11 шт. 1,6 Соснаобыкновенная(Pinus sylvestris) 47 шт. 1,7 Лиственница обыкновенная (Larix sibirica) 4 шт. 1,5 Береза повислая (Betula pendula) 3 шт. 2 Напочвенный покров хорошо развит, встречаются ассоциации осоки волосистой (Carex pilosa), щитовника мужского (Dryopterys filix-mas), отдельные растения звездчатки злаколистной (Stellaria graminea), распространены яснотка белая и зеленчуковая (Lamium album, Lamium galeobdolon ), встречаются небольшие парцеллы будры плющевидной (Gleochoma hederacea). Доминирующие виды в напочвенном покрове – щитовник и осока. Площадь проективного покрытия не превышает 80-85%
Почвенный покров участка представлен дерново-подзолисто-глеевыми легкосуглинистыми типичными ненасыщенными неглубокоосветленными на покровном суглинке подстилаемыми мореной почвами. Почвообразующая порода, соответственно, моренной суглинок. Признаки оглеения проявляются с глубины 19-28 см в виде сизых пятен. Грунтовые воды характеризуются глубоким залеганием. Общий рельеф участка пологоволнистый, с кочками микропонижениями.
