Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Экологические функции газонных урбоэкосистем и особенности их оценки 9
1.1 Урбанизация и ее влияние на формирование городских экосистем 9
1.2 Функционально-экологические особенности городских экосистем 12
1.3 Городские газоны, как урбоэкосистемы 17
1.4 Почвенный компонент газонных урбоэкосистем. 21
1.5 Экологические функции газонных урбоэкосистем 25
1.6 Современные методы и подходы экологической оценки газонных урбоэкосистем 32
ГЛАВА II. Объекты и методы исследований 35
2.1 Природно-экологическая характеристика кампуса РГАУ-МСХА имени К.А.
Тимирязева 35
2.2. Краткая характеристика объектов исследования 41
2.2.1 Характеристика представительных газонных урбоэкосистем 41
2.2.2 Полевой модельный эксперимент 43
2.3 Методы исследований 46
ГЛАВА III Почвенно-экологическая характерстика газонных экосистем города с различным уровнем эксплуатационной нагрузки 53
3.1 Анализ газонных урбоэкосистем лугового типа со стандартным уровнем эксплуатационной нагрузки 53
3.2 Анализ газонных урбоэкосистем садово-паркового типа со стандартным уровнем эксплуатационной нагрузки 61
3.3 Анализ газонных урбоэкосистем партерного типа с повышенным уровнем эксплуатационной нагрузки 69
3.4 Анализ газонных урбоэкосистем спортивного типа с повышенным уровнем эксплуатационной нагрузки 77
ГЛАВА IV Сравнительная оценка экологических функций представительных газонных урбоэкосистем 86
4.1 Анализ функции регулирования состава атмосферного воздуха 86
4.2 Анализ декоративной функции газонных урбоэкосистем 97
4.3 Комплексная оценка функционирования газонных урбоэкосистем 98
ГЛАВА V Исследования моделируемых почвенных конструкций под городскими газонами садово-паркового типа 101
5.1 Анализ экологического функционирования модельных почвенных конструкций на основе запасов и потоков углерода 101
5.2 Комплексная оценка функционирования модельных почвенных конструкций. 113
Выводы 117
Список литературы 1
- Городские газоны, как урбоэкосистемы
- Характеристика представительных газонных урбоэкосистем
- Анализ газонных урбоэкосистем садово-паркового типа со стандартным уровнем эксплуатационной нагрузки
- Анализ декоративной функции газонных урбоэкосистем
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из наиболее характерных особенностей
современного общества является быстрый рост городов (Лаппо, 2000;
Курбатова и др., 2004; Svirejeva-Hopkins, 2004, 2006; Sаier, 2007; Picket et аl.,
2011; Васенев и др, 2012). В процессе урбанизации наблюдаются необратимые
трансформации растительного и почвенного покрова, потоков веществ и
энергии, а ее результатом становится формирование урбоэкосистем,
принципиально отличающихся от естественных (Lorenz et аl, 2003).
Важнейшим элементом урбоэкосистем являются городские газоны (Аllаrie et
аl., 2008; Епихина, Грибкова, 2013). При этом они занимают значительную
часть современных городов, а особенности их экологического
функционирования остаются относительно малоизученными (Васенев и др., 2014; Vasenev, Epikhina, 2015; Vasenev et al., 2015).
Степень разработанности темы. В условиях повышенной
антропогенной нагрузки Московского мегаполиса, городские газоны выполнят важные экологические функции. Одним из интегральных критериев оценки экологического функционирования газонных экосистем является их участие в глобальном цикле углерода, характеризующиеся через потоки и запасы углерода в базовых компонентах экосистем (Курганова, 2009; Ritz et al., 2009; Епихина и др., 2012). Оценка экологического функционирования газонных экосистем Москвы осложняется высоким пространственным разнообразием, обусловленным как различным функциональным использованием (селитебные, рекреационные, зоны промышленного производства), так и особенностями морфогенетических и физико-химических свойств почв, почвогрунтов и их компонентов. В тоже время, высокая динамичность свойств газонных экосистем (в частности, потоков углерода), обуславливает необходимость мониторинговых исследований для объективной оценки их экологического функционирования.
Цель и задачи. Целью работы является проведение комплексных экологических исследований с оценкой экологических функций почв на основании анализа потоков и запасов углерода в базовых компонентах представительных газонных урбоэкосистем Московского мегаполиса с учетом их пространственного разнообразия и временной динамики.
В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:
-
Изучить основные закономерности пространственного разнообразия, морфогенетическихи физико-химических свойств городских почв и почвогрунтов представительных газонных экосистем в северной части Московского мегаполиса.
-
Провести мониторинг суточной и сезонной динамики эмиссии СО2, температуры и влажности почв и почвогрунтров представительных вариантов газонных экосистем
-
Выявить закономерности пространственно-временной изменчивости запасов почвенного углерода и сезонной динамики прироста биомассы газонных трав
4. Изучить влияние морфогенетических и физико-химических
особенностей почв и почвогрунтов на потоки и запасы углерода и качество
газонных урбоэкосистем на основе анализа модельного эксперимента и их
пространственного и функционального разнообразия
5. Дать комплексную оценку основных экологических функций
исследуемых представительных вариантов газонных урбоэкосистем северной
части мегаполиса Москва.
Научная новизна. В результате проведенного исследования впервые
были изучены варианты газонных урбоэкосистем, контрастные по типу
специализации (луговые, садово-парковые, партерные, спортивные) и уровню
эксплуатационной нагрузки (стандартная и повышенная), занимающие
различное экологическое положение в структуре Московского мегаполиса.
Изучены закономерности пространственной изменчивости, сезонной,
межсезонной и суточной динамики почвенных потоков СО2 с использованием метода высокочастотных наблюдений. Установлено, что основным фактором, определяющим поток СО2 из исследуемых почв городских газонных экосистем в условиях нормального увлажнения, является температура почвы (R=0,81 – 0,86; р>0,01). Рассчитана регрессионная модель зависимости эмиссии СО2 из исследуемых почв c учетом их влажности и температуры. Выявлены факторы пространственной неоднородности эмиссии СО2 и СН4 на исследуемых объектах. Разработана комплексная оценка экологического функционирования газонных урбоэкостистем. В результате проведения полевого модельного эксперимента были изучены почвенные конструкции с различным составом (торф, торфо-песчаная, почво-торфяная, почво-песчаная смеси) и мощностью (5 и 20 см) органогенного горизонта. Для проведения эксперимента были разработаны специальные контейнеры (патент RU15023541U1). Выявлены факторы пространственной неоднородности эмиссии СО2 модельными почвенными конструкциями. Установлено, что основными факторами, определяющими поток СО2 из исследуемых почвенных конструкций, являются температура (R=0,86 – 0,89; р>0,01) и влажность (R=(-0,80) – (-0,82); р>0,01) почвы. На основании комплексной экологической оценки выявлены оптимальный состав и мощность почвенных конструкций.
Теоретическая и практическая значимость работы. Исследования
проводились в рамках грантов Правительства РФ № 11.G34.31.0079 и РФФИ №
14-04-31992 мол_а. Результаты проведенных исследований по комплексной
оценке функционирования используются для разработки рекомендаций по
функционально-экологической оценке газонных экосистем различной
функциональности и уровнем эксплуатационной нагрузки. Экспериментальные данные входят в систему регионального мониторинга почвенных потоков парниковых газов представительных ландшафтов европейской части России – сеть RusFluxNet. Опытные данные комплексной оценки модельных почвенных конструкций используются для разработки рекомендаций по устройству городских газонов.
Методология и методы диссертационного исследования. Работа выполнена с использованием современных методов исследований потоков и запасов углерода, соответствующих международным стандартам FluxNet (Baldocchi et al., 2001; Кудеяров и др., 2007.)
Положения, выносимые на защиту:
-
Характерные для Московского мегаполиса газонные урбоэкосистемы достоверно различаются по типу специализации и уровню эксплуатационной нагрузки, контрастны по почвенным условиям.
-
Основным фактором, влияющим на сезонную динамику почвенных потоков углекислого газа в условиях газонных экосистем Москвы является температура верхних горизонтов их почв и почвогрунтов, вследствие чего наибольшим вкладом в годовую эмиссию углекислого газа характеризуется летний период
-
Основным факторов, влияющим на годовую эмиссию углекислого газа перспективных для условий газонов Московского мегаполиса модельных почвенных конструкций (конструктоземов) является состав их органогенного горизонта. Модельная почвенная конструкция с органогенным горизонтом из торфо-песчаной смеси мощностью 5 см позволяет обеспечить оптимальное функционирование газонной урбоэкосистемы.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты исследований основаны на экспериментальных данных, полученных с помощью использования современных приборов и оборудования, методов и методик, разработанных известными российскими и зарубежными учеными. Основные положения диссертации были представлены: на международной научной конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, 2012; Экологический форум «Экология мегаполиса-2012» (Москва, РГАУ-МСХА, 2012); XIII Всероссийских выставках научно-технического творчества молодежи НТТМ-2013 (2013 г. – медаль); на международной конференции «Архитектура и ландшафт – основа устойчивого развития городов» (Москва, РУДН, 2012, 2013, 2014), XVII «Докучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2014); на V, VI, VIII международных научно-практических конференциях «Инновационные процессы в АПК» (Москва, РУДН, 2013, 2014, 2015); 7-й международный почвенный конгресс (Москва, РГАУ-МСХА, 2015), MOSES (Москва, РГАУ-МСХА, 2013, 2014, 2015).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 23 научных работы, в т.ч. 1 патент на полезную модель, 1 монография в соавторстве, 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем. Диссертация изложена на 139 страницах, иллюстрирована 40 рисунками, содержит 48 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы, содержащего 200 источников, из них англоязычных 81.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе над диссертацией научному руководителю проф. И.И. Васеневу и с.н.с
В.И. Васеневу, за ценные консультации – проф. В.А. Черникову, проф. Л.В.
Мосиной, доц. Е.Б. Таллеру, доц. Ю.Л. Мешалкиной, доц., за помощь в
проведении исследований коллектив лаборатории агроэкологического
мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем, в частности – И.М. Мазирову, М.В. Тихоновой, П.С. Лакееву, а также всем сотрудникам кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
Городские газоны, как урбоэкосистемы
Территория и количество городов, процент городского населения, согласно современным прогнозам, резко возрастает (FAO, 2013). Вытекающие последствия для экологии ландшафтов и, в частности, влияние на биохимические циклы и региональный и глобальный климат, сопутствующиеся увеличением территории городского землепользования, в значительной степени не изучены (Kasanko, 2006, Trаtаlos, 2007; Byrne, 2007). Однако, ученые едины в том, что урбанизация как примеры радикального изменения режимов землепользования, воздействует на состояние окружающей среды, на основании чего, были опубликованы работы, посвященные вопросам влияния урбанизации на качество экосистем и их отдельных составляющих. Биохимические циклы, прямо или косвенно, изменяются в результате деятельности человека. К прямым эффектам можно отнести изменения в биологических, химических и физических свойствах почв и протекающих в них процессах. К косвенным же воздействиям могут быть отнесены: интродукция несвойственных видов растений и животных, атмосферные выпадения загрязняющих веществ и др. (Lorena and Lal, 2009).
Во-первых, деятельность человека в области городского строительства связана с созданием искусственных почв, которые, в значительной степени, отличаются от естественных. Городские почвы играют главную роль в изменении процессов в экосистемах, которые основаны на биохимической трансформации веществ в результате взаимодействия между основными компонентами почвы, что оказывает, ко всему выше сказанному, влияние и на экологическое состояние городской среды (Лопатин, 2005; Lehmаnn, Stаhr, 2007; McDonnel и др., 2009). В связи с этим, например, городские районы являются основными источниками углекислого газа в атмосфере и 78 % глобального выброса CO2 относятся к городам (Brown, 2003; Kаye et al., 2006). Кроме того, города оказывают значительное влияние на местный климат (IPCC, 2001; Betts, 2007).
Во-вторых, урбанизация изменяет структуру растительного покрова (Pickett et al., 2011). Главной особенностью городской растительности является ее пространственная неоднородность, обусловленная огромным разнообразием городских почвенных конструкции, а также различными социальными контекстами (Steаrns, 1971; Vizirskaya et al., 2013, 2014). В настоящее время, человек, все чаще, заменяет естественную растительность на виды, несвойственные для данных мест (Byrne, 2008).
Говоря о влияние урбанизации на формирование экосистем, необходимо выделить ключевые факторы, обуславливающие это влияние. К таким факторам относятся: - преобладающий климат города, характеризующийся повышением температуры воздуха, укороченным световым днем (в крупных городах, увеличением облачности, осадков и туманов, понижением относительной влажности, ослаблением солнечной радиации, изменением направления и скорости ветра и др., по сравнению с окружающим город естественным климатом (Кратцер, 1958; Ландсберг, 1983; Шерстюков, 2008; Доклад об особенностях климата, 2015); - городские почвы, характеризующиеся пространственным разнообразием, строение и составом (Sukopp, 1998; Jim, 1998; Crаul,1999; Смагин, 2006); - городская флора и фауна, и влияние ее остатков, характеризующаяся, помимо изменения видового состава, отличающегося от естественного, изменением соотношения площадей, занятых травянистыми и древесными видами культур, например, большая часть современных городов занята травянистыми культурами, в частности, газонами (Steinberg и др., 1997., Koerner, Klopаtek, 2002); - рельеф, склоны и их экспозиция, характеризующиеся различными видами геопластики; - время, в течение которого, выше представленные факторы действовали (Lorenz et al., 2011; Groffmаn et al.., 2004). На основании выше сказанного, следует, что урбоэкосистема – это формируемая в процессе урбанизации пространственно-ограниченная природно городская система, сложный комплекс взаимосвязанный обменом вещества и энергии автономных живых организмов, абиотических элементов, природных и техногенных, создающих среду жизни человека, состоящая из взаимосвязанных и взаимопроникающих подсистем, таких как: преобразованная природная среда, ландшафтно-архитектурная и общественно-производственная (Лихачева, Тимофеев, 1996).
Экосистемы малых городов, городов-экополисов могут находиться в состоянии относительного экологического равновесия. Однако экосистема большого города от состояния экологического равновесия далека. Для воспроизводства компонентов природной среды требуются обширные территории. Природно-антропогенные и природные объекты плотно застроенного и замощенного асфальтом города воспроизвести компоненты природной среды не могут. Баланс биомассы в городе нарушен. Геохимическая и биохимическая активности территорий больших городов также оказываются недостаточными для нейтрализации загрязнений окружающей среды. Устойчивость городских территорий нарушается под воздействием физических антропогенных нагрузок. Поэтому количественные показатели репродуктивной способности, геохимической активности, экологической емкости городской территории значительно ниже показателей, характеризующих экологическое равновесие на территории района. Плотность населения большого города намного превышает демографическую емкость его территории (Герасимова и др., 2003; Лихачева, 2007; Денисов и др., 2008; Визирская и др., 2013).
Антропогенную нагрузку, создаваемую городом, компенсирует природная среда пригородов и прилегающих к нему территорий (Мосина, 2003). Приблизить городскую экосистему к состоянию экологического равновесия можно, увеличивая площади естественных ландшафтов и озелененных территорий города, а также снижая антропогенные нагрузки. Для этого используется комплекс природоохранных мероприятий по снижению негативного воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду (Довлетярова, 2005; 2013). Город – это несаморегулирующаяся экосистема. Поэтому общество должно регулировать качество городской среды и воздействие антропогенных нагрузок на нее (Владимиров 1999, Vasenev, Epikhina, 2015).
При интенсивной урбанизации антропогенные нагрузки на окружающую среду возрастают: повышается плотность населения, разрастаются территории городов и агломераций, возрастает плотность застройки городских территорий и насыщенность их инженерной инфраструктурой, увеличиваются объемы промышленного производства, растет уровень автомобилизации. Все это ведет к обострению экологических проблем городской среды (Kasanko et al., 2006; Golubiewski, 2006; Денисов и др., 2008; Проблемы экологического мониторинга, 2010, 2011; Епихина и др., 2012; Мазиров и др., 2014; Vasenev et al., 2015).
Характеристика представительных газонных урбоэкосистем
По представленным в таблице данным видно, что лето умеренно теплое с выраженной континентальностью климата. Летних дней с температурою 20С и выше в среднем в году 24. Абсолютный максимум наблюдается в июле—августе. Самый холодный месяц в году— январь, самый теплый — июль.
Относительная влажность воздуха в среднем за год составила 79%. Минимальные показатели влажности воздуха наблюдались в мае, максимальные – в период с ноября по декабрь и составили 66% и 87% соответственно. Максимальное количество осадков приходится на июль — август, минимальное — на январь — февраль. За период с мая по сентябрь выпадает 366 мм осадков, что составляет практически половину годового количества. Число дней с осадками колеблется от 121 до 216, а в среднем составляет 172. Осадки в виде снега составляют в среднем 20% от годовых. Число дней со снежным покровом на открытых участках в среднем составляет 139 (126 — 168). Средняя глубина промерзания почвы составляет на открытых местах около 40 см. Высота снежного покрова в среднем 30-35 см. Весною при сходе снега на поверхности почвы наблюдались лужи и поверхностный сток.
Преобладающими ветрами являются ветры западного и юго-западного направления. Наиболее сильные ветра наблюдались в январе, марте и ноябре.
В последние десять лет отмечался ряд климатических явлений, отклоняющихся значительно от климатической нормы. В частности, летом 2010 года отмечалось заметное превышение климатической нормы среднесуточных температур, которые для июля месяца составили 26,1С (многолетняя среднесуточная температура 18,8 С), для августа 21,8С (норма 16,6 С). Наряду с этим, чаще отмечается позднее наступление зимы с установлением постоянного снежного покрова. Постоянный снежный покров в период с 2009 по 2012 год устанавливался в декабре месяце, а установление постоянного снежного покрова в 2014 году отмечалось в январе, при этом наблюдался его ранний сход в конце февраля. Сокращение зимнего периода приводит к уменьшению количества дней с промерзанием верхнего горизонта почвы. Очевидно, что в последние десятилетия климат города становится теплее, растет среднегодовая температура воздуха (табл. 2.1.1). Так, для средних периодов 1948-1989 и 2000 – 2010 увеличение среднегодовой температуры воздуха составило 1,5 С. При этом было отмечено, что потепление в течение года происходит неравномерно. Также отмечается некоторое увеличение среднегодового количества осадков (табл. 2.1.1). Причинами этого могут быть активная урбанизация и уплотнение города (увеличение количества автотранспорта, рост численности населения), глобальное потепление и естественная цикличность климата.
Повышение среднесуточной температуры и увеличение количества осадков – факторы, стимулирующие активность почвенных микроорганизмов и способствующие развитию напочвенной растительности.
Рельеф и геология. Территория РГАУ-МСХА располагается на окраине южного склона Клинско-Дмитровской возвышенности, которая спускается на юг до долины реки Москвы и проходит далеко на запад. На востоке этот участок возвышенности граничит с западной частью Мещерской низменности. Рассматриваемая территория ходит в придолинную зону среднего течения реки Москвы. (Наумов, Поляков, 2009)
По рельефу территория университета представляет собой моренную равнину, которая слагает центральную часть водораздела между реками Москва и Яуза. В целом рельеф территории РГАУ-МСХА характеризуется как морено-равнинный. Холмы, которые характерны для моренного ландшафта, имеют плоский сглаженный характер.
Территория университета расположена в пределах Центрально Московского структурно-геоморфологического блока, который представляет собой куполообразное пологое поднятие изометрических очертаний. (Наумов, 2009; Даньшин, 1947).
На территории РГАУ-МСХА ледниковые отложения представлены двумя моренами, состоящими, в основном из суглинков, плотного, нередко сланцеватого сложения, с рассеяными валунами различного состава и различной величины. Именно на ледниковых отложениях (песках, глинах, суглинках) и формировались почвы нынешней территории Москвы. Почвенный покров Территория кампуса РГАУ-МСХА согласно почвенно-геграфическому районированию относится к Среднерусской провинции дерново-подзолистых среднегумусированных почв подзоны дерново-подзолистых почв южной тайги бореального пояса (Герасимова и др., 2003; Наумов, Поляков, 2009). Естественный почвенный покров, который представлен главным образом дерново-подзолистыми почвами, практически сохранился только в немногих местах, не затронутых городским строительством («О состоянии окружающей среды…, 2008).
Для фоновых зональных (дерново-подзолистых) почв характерен большой разброс показателя кислотной реакции почвенного раствора (рНводн. 4,9-6,5). Максимальная кислотность отмечается в верхнем горизонте и снижается с глубиной.
Обследование почв на территории города Москвы в 2008 г. показало, что основная часть почв характеризуется нейтральной или слабокислой реакцией среды, значения рН колеблются от 5,5 до 7,5 (45%).
Главное отличие городских почв от природных заключается в том, что городские почвы обычно сильно загрязнены (особенно их верхняя часть) битумно-асфальтовыми смесями, сажей, нефтепродуктами и др. Поэтому для городских почв правильнее говорить о содержании органического углерода (Сорг.), а не о содержании гумуса. Разделение гумуса и продуктов загрязнения требует специальных исследований, до настоящего времени методически до конца не решенных. Содержание Сорг. в городских почвах по литературным данным может колебаться от 2 до 7%. Из доклада о состоянии окружающей среды в г. Москве (2008) почвы анализируемой территории РГАУ-МСХА относятся к категории с низким содержанием органического углерода (2,4-4,0%).
Содержание фосфора на территории соответствует повышенному и высокому уровню обеспеченности почв микроэлементом (112-247 мг/кг почвы).
Содержание калия в почвах исследуемых территорий варьирует от среднего до повышенного уровня (87-166 мг/кг почвы).
В целом, по представленным результатам можно сказать, что почвы анализируемых территорий контрастны по строению и в почвенном покрове территории преобладают урбаноземы - почвы с нарушенным строением профиля, несогласованным залеганием горизонтов, наличием антропогенных горизонтов с высокой степенью загрязнения тяжёлыми металлами и органическими веществами, строительного и бытового мусора. Мощность антропогенно-преобразованной толщи составляет от нескольких сантиметров до одного и более метра. Отмечено снижение мощности прогумусированной части почв до 2-4 см. и обеспеченность исследуемых почв макроэлементами высокая. Средняя запечатанность почвенного покрова составляет более 30%. Озелененность территории характеризуется как удовлетворительная, и остается стабильной и неизменчивой по сравнению с предыдущими исследуемыми годами.
Анализ газонных урбоэкосистем садово-паркового типа со стандартным уровнем эксплуатационной нагрузки
Для верхнего горизонта представительного участка характерен рН равный 6,61±0,10. Уровень кислотности увеличивается вниз по профилю (табл.3.1.2).
Содержание органического углерода в горизонте AYur соответствует низкому значению (1,92±0,05%). Содержание Сорг. по профилю постепенно уменьшается до 0,45±0,04% (табл.3.1.3).
Максимальное содержание обменного калия наблюдалось в верхнем горизонте (AYur) и составляло 102,6±1,0 мк/кг почвы, что соответствует средней степени обеспеченности почв. Снижение содержания К2О от средней степени обеспеченности до низкой наблюдалось вниз по профилю (табл.3.1.3).
Максимальное содержание подвижного фосфора наблюдалось в горизонте В и составляло 115,6±4,5 мг/кг почвы, что соответствует повышенной степени обеспеченности почвы. Средняя обеспеченность почвы Р2О5 наблюдалась в горизонте ЕВ и составляла 91,9±4,9 мг/кг почвы.
Одним из показателей продуктивности луговой газонной урбоэкосистемы является прирост Сорг. в корневой и наземной биомассе трав. На начало измерений в октябре 2012 года корневая биомасса составляла 744,5±12,8 г/м2. На момент первого отбора в мае 2013 года прирост биомассы был отрицательным и составил в среднем -87,2±4,9 г/м2 (11,7% от первоначальной массы), что связано с расходом питательных веществ в зимний период. Тоже самое наблюдалось и в период измерений в 2014 году, корневая биомасса за период зимовки трав уменьшилась на 12,4% (-99,5 г/м2) (табл. 3.1.3).
Максимальные значения прироста корневой биомассы наблюдались в июне и августе, минимальные – июле (рис. 3.1.1). Это объясняется тем, что на июль приходится конец летней депрессии трав, в этот период наименьшее накопление корневой массы и связность дернины (Соколова, 2014).
Максимальный прирост трав наблюдался в мае, минимальный в июне, что, очевидно, связано с недостаточной влагообеспеченностью почв в данный период. В целом, прирост Сорг. наземной биомассы увеличился в 2014 году по отношению к 2013 на 4,2% (рис. 3.1.1). Температура и влажность почв, как микроклиматические параметры газонной урбоэкосистемы, определяются погодными условиями анализируемого периода. Результаты наблюдения за этими параметрами показали, что они заметно меняются не только в течение одного сезона, но имеют и межсезонную динамику (табл.3.1.4).
Максимальная влажность почвы наблюдалась в январе 2014 года и составила в среднем 54,8%, минимальная - в июле (в среднем 16,2%). Для показателей влажности почвы на анализируемых участках характерно ее постепенное снижение в течение вегетационного сезона и возрастанием ближе к осеннему периоду. Температура почвы, в целом, возрастает с начала вегетации, достигает своих максимальных значений в июле и падает с понижением среднесуточных температур (табл. 3.1.4).
Одним из главных параметров экологического функционирования урбоэкосистемы является почвенная эмиссия С02, наблюдения которой велись с 2013 года при помощи высокочастотного инфракрасного газоанализатора. В ходе исследований проводились наблюдения за суточной, сезонной и межсезонной динамикой эмиссии углекислого газа. Для данного участка два раза за сезон были проведены наблюдения за суточной динамикой эмиссии СО2. Эти наблюдения использовались для выявления оптимального времени проведения режимных наблюдений и исключения колебаний вносимых суточной динамикой из результатов наблюдения. Измерения были проведены в первые декады июня и августа в течение суток с промежутком один раз в три часа (табл. 3.1.5). Полученные данные позволяют уточнить результаты мониторинговых наблюдений, которые проводятся в дневное время в период с 10 до 13 часов. Таблица 3.1.5 - Средние значения почвенных потоков СО2 за сутки и в период мониторинговых наблюдений Период Среднесуточное, г CO2 /м2 день В период с 10:00 по 13:00, г CO2 /м2 день Отношение М М 01.06.2013 29,4 4,8 29,9 5Д 0,98 01.08.2013 35,5 3,7 36,0 4Д 0,99 Для суточной динамики наблюдалось характерное снижение эмиссии в период с 19.00 до 23.00, до 02.00 сохранялся достаточно низкий уровень и к 05.00 часам дыхание постепенно возрастало. Оптимальный период для измерений – промежуток времени с 7.00 до 13.00.
Так, для двух периодов измерений разница между среднесуточным значением потока и потоком в период измерения незначительная их отношение близко к единице (табл. 3.1.5).
Наблюдения за почвенными потоками СО2 показали, что наибольшее значения потока наблюдается в начале вегетационного сезона в мае, что объясняется ростом и развитием почвенной микробиоты и корневой биомассы – основных компонентов почвенного дыхания (табл. 3.1.6). Сезонная динамика температуры и влажности почвы (1) в верхнем горизонте (h=0,10 м) и почвенного потока СОг (2) Минимальные значения потоков были зафиксированы в феврале 2014 г. (0,1±0,1 г/м2 в день). Нулевые значения почвенной эмиссии СО2 наблюдалось в январе, феврале, марте и декабре 2013 года, и декабре 2014, что связано с отрицательными значениями температуры почвы (рис. 3.1.2 (2).
Значение суммарной эмиссии за год в 2014 году составило 3,90±0,10 кг СО2/м2 в год, что в среднем меньше на 30,5%, чем в анализируемом 2013, где значение составило 5,61±0,70 кг СО2/м2.
Изучая сезонную динамику потока СО2, температуры и влажности почвы, был выявлен ряд закономерной. При увеличении температуры почвы увеличивался поток СО2 (рис. 3.1.2 (1,2).
Для выявления зависимости температуры почвы и эмиссии углекислого газа был рассчитан коэффициент корреляции, который показал сильную прямую зависимость (R=0,81; р 0,01) между показателями. Зависимость потока с влажностью почвы на данном участке составляет R=-0,41; р 0,01.
Анализ декоративной функции газонных урбоэкосистем
Исследования также показали, что суммарная эмиссия углекислого газа на различных уровнях эксплуатационной нагрузка неодинакова, суммарный поток на урбоэкосистемах с повышенным уровнем эксплуатационной нагрузки в среднем на 51,9% больше, чем со стандартным (рис. 4.1.2 (2).
Наибольшим потоком углекислого газа характеризуется летний период (3,73 кг/м2), вклад которого составляет 47,8% от годовой эмиссии СО2. В осенний период поток меньше. Таким образом, значение суммарного потока убывает в ряду лето весна осень зима (рис. 4.1.2 (3). Это несколько отличается от закономерностей, показанных для фонового участка на котором значения суммарного потока убывают в ряду лето осень весна зима (по материалам Визирской М.М.) (рис. 4.1.2 (3).
Исследования также показали, что средняя суммарная годовая эмиссия фонового участка меньше, чем газонных урбоэкосистемах в среднем на 50,6% (рис. 4.1.2 (3).
Наблюдения за средними суммарными потоками метана выявили, что в отличие от углекислого газа, он поглощается исследуемыми почвами. Установлено, что при увеличении влажности почвы сток метана уменьшался (R=0,78; р 0,05), а при повышении влажности более 40% наблюдалась эмиссия СН4. Этот процесс можно объяснить тем, что при повышении почвенной влажности уменьшается концентрация кислорода в почвенном воздухе, что способствует увеличению анаэробных ниш, которые занимают метаногены. Наряду с почвенными аэробными метанотрофами, окисляющими СН4 до СО2 в присутствии О2 и жизнедеятельность которых происходит в широком диапазоне существования, эти микроорганизмы образуют метан как главный продукт анаэробного метаболизма, восстанавливая СО2, и как следствие, приводят к снижению его стока, а при более высоких значениях почвенной влажности эмиссия превышает сток (Звягинцев, 2005; Степанов, 2011).
Рассматривая потоки СН4 с точки зрения участков с различным уровнем эксплуатационной нагрузки, было выявлено, что участки со стандартной нагрузкой больше поглощают метан в сравнении с повышенной в среднем на 58,6% (рис. 4.1.3 (1). При этом, сравнивая суммарные потоки метана за июнь-август с фоновыми значениями на данный период, очевидно, что фоновые значения (по данным Визирской М.М., 2014) стока в среднем выше на 48,6% (рис. 4.1.3 (2).
В тоже время, сток метана характеризуется очень низкими значениями, и его вклад составляет в среднем 0,02% и не оказывает существенного влияния на суммарный поток.
Суммарный поток СН4 в гСэкв/м2 газонными урбоэкосистемами с различным уровнем эксплуатационной нагрузки (1) и в сравнении с фоном (2)
За счет прироста корневой и наземной биомассы трав происходило депонирование углерода. Было установлено, что максимальные приросты наземной биомассы наблюдались в мае на всех исследуемых участках, при этом максимальный прирост наблюдался на спортивных газонных урбоэкосистемах с повышенным уровнем эксплуатационной нагрузки (222,7±7,2 г/м2), а минимальный на луговых со стандартным уровнем нагрузки (155,2±12,4 г/м2). Минимальный прирост на всех типах исследуемых урбоэкосистем наблюдался в августе. Средние максимальные значения прироста трав за вегетационный период отмечались на урбоэкосистемах с повышенным уровнем эксплуатационной нагрузки (779,9±12,4 г), что больше прироста трав со стандартным уровнем (482,4±15,2 г) на 61,7 %. Это очевидно связано с разницей в уходе и эксплуатации. На урбоэкосистемах с повышенным уровнем ухода проводяться частые скашивания, регулярные поливы и механическая обработка почвы (аэрация, вычесывание), что способствует активации роста как наземной, так и корневой биомассы за счет оптимальных условий увлажнения и воздухообеспеченности почвы. Газоны со стандартным уровнем нагрузки отличаются редкими скашиваниями, отсутствием поливов и механической обработки (Тюльдюков и др., 2002; Абрамашвили, 2006).
Потери корневой бимассы и, как следствие, минимальная связность дернины наблюдались на всех исследуемых участках после зимнего периода. Максимальные потери были отмечены на урбоэкосистемах лугового типа (93,4±5,9 г/м2), минимальные на спортивных (13,9±1,6 г/м2). По мнению некоторых исследователей (Шкаринов, 2009; Соколов, 2014) это связано с расходом пластических веществ в зимний период. На всех типах исследуемых урбоэкосистем наблюдалось уменьшение корневой биомассы в июле, что связано с летней депрессией трав (периодом полупокоя) (Шкаринов, 2009; Соколова, 2014). На основании проведенных исследований была установлена положительная корреляционная зависимость между приростом наземной и корневой биомассы (R=0,74; р 0,05).
Для сравнительной оценки функции регулирования состава атмосферного воздуха было проведено сопоставление поступления углерода в атмосферу с потоком СО2 из почвы, и фиксации углерода растениями в течение вегетационного сезона. Углерод биомассы учитывался за счет его прироста в корневой и наземной биомассе за исследуемые сезоны. Сток СН4 не учитывался, так как его вклад незначителен. Таблица 4.1.2 - Сравнительный анализ и оценка эмиссии углерода почвами фоновых ключевых участков в среднем за год
По сравнению с фоном средняя суммарная эмиссия на 81,7% превысила поглощение. Для всех исследуемых ключевых участков поступление С в атмосферу преобладает над фиксацией, разница между потоком и поглощением колеблется от 1,09 до 2,31 кгС/м2 в год. Наибольшие потери углерода отмечены на участке с газонными урбоэкосистемами партерного типа (П-Пов), где они составила 2,74 кгС/м2 в год, наименьшие – на луговых (1,29 кгС/м2 в год).