Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологическое состояние и проблемы лесных и лесопарковых экосистем в условиях городов мегаполисов 9
1.1. Значение и экологическое состояние лесных и лесопарковых ландшафтов городов-мегаполисов 9
1.1.1. Роль городских лесов и лесопарков в экосистеме городов-мегаполисов и городских агломераций 9
1.1.2. Влияние антропогенных факторов на экологическое состояние лесных и лесопарковых ландшафтов городов-мегаполисов 11
1.2. Значение почвы и состояние почвенного покрова в городских лесах и лесопарках 16
1.2.1. Значение почвы в экосистеме и изменения в ней в условиях техноантропогенеза 16
1.2.2. Влияние уплотнения почвы на состояние лесных и лесопарковых ландшафтов 19
1.2.3. Воздействие загрязнения тяжелыми металлами на почвы городских фитоценозов 23
1.2.4. Изменения биологической (в том числе микробиологической) составляющей почв в условиях урбанизированных территорий 26
1.3. Роль зеленых насаждений в решении экологических проблем городов мегаполисов 31
1.3.1. Значение зеленых насаждений в экосистеме 31
1.3.2. Ценность зеленых насаждений в биологическом очищении атмосферы от пыли, газообразных и аэрозольных загрязняющих веществ 35
1.3.3. Шумозащитная функция зеленых насаждений 36
1.3.4. Значение зеленых насаждений в формирования микроклимата городской агломерации 37
1.4. Экологический мониторинг 41
1.4.1. Основные понятия и виды экологического мониторинга 41
1.4.2. Почвенно-биоэкологический мониторинг охраняемых природных территорий 43
Экспериментальная часть 46
Глава 2. Объекты и методы исследования 46
2.1 Объекты исследований 46
2.2. Методы исследований 59
Глава 3. Динамика основных почвенно-экологических показателей под лесными фитоценозами ЛОД РГАУ-МСХА в условиях загрязнения тяжелыми металлами 63
3.1. Состояние почвенно-экологических показателей под лесными фитоценозами ЛОД под влиянием фактора загрязнения почв тяжелыми металлами 63
3.2. Динамика содержания тяжелых металлов в почве в условиях антропогенного загрязнения ЛОД под древостоями на пробных площадях 68
3.3. Сравнительная динамика относительных показателей загрязнения тяжелыми металлами в почве под древостоями на пробных площадях 78
Выводы по главе 82
Глава 4. Динамика плотности почвы в городских лесных экосистемах под воздействием нерегулируемой рекреационной нагрузки 84
4.1. Влияние фактора уплотнения почв на систему «почва растение» 84
4.2. Влияние уплотнения почв на состояние древостоев 89
4.3. Влияние уплотнения почв на состояние азотфиксирующей способности почв 90
4.4. Влияние уплотнения почв на состояние «дыхания почвы» 92
Выводы по главе 94
Глава 5. Изменения микробиологической компоненты в городских лесных экосистемах в условиях нерегулируемой рекреации и загрязнения почв тяжелыми металлами 96
5.1. Значение микробиологической компоненты в почвах городских лесных экосистем 96
5.2. Динамика численности микробиологической компоненты в почвах городских лесных экосистем под древостоями 98
5.3. Изменения структуры видового состава микробиологической компоненты в почвах городских лесных экосистем под древостоями 105
Выводы по главе 114
Заключение 115
Список литературы 118
Приложения 139
- Влияние антропогенных факторов на экологическое состояние лесных и лесопарковых ландшафтов городов-мегаполисов
- Почвенно-биоэкологический мониторинг охраняемых природных территорий
- Влияние фактора уплотнения почв на систему «почва растение»
- Изменения структуры видового состава микробиологической компоненты в почвах городских лесных экосистем под древостоями
Влияние антропогенных факторов на экологическое состояние лесных и лесопарковых ландшафтов городов-мегаполисов
В ряду экологических проблем лесных массивов урбанизированных территорий можно назвать следующие: переуплотнение почв, засоление почв, возникновение неблагоприятного температурного и водно - воздушного режимов почвы, изменение ее физико-химических и физико-механических свойств, интоксикация растительности и почвенных организмов, возникающая при накоплении в верхних горизонтах почвы техногенных поллютантов (тяжелых металлов, полиароматических углеводородов, хлорорганических соединений и радионуклидов), и, в свою очередь, воздействие природных экотоксинов; запыленности, загазованности, задымленности (Курбатова и др., 2004 г.; Озерова, 2004,).
Территория г. Москвы представляет собой зону, подвергаемую загрязнению со стороны целого комплекса разнообразных источников загрязнения. Основными источниками являются выбросы автотранспорта, промышленных предприятий и ТЭЦ (Строганова и др., 1998; Мосина, 2003; Мосина и др., 2017).
По данным официальной статистики, доля выбросов от автотранспорта составила по оценке 93% от валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу города. (О состоянии окружающей среды в городе Москве.., 2017). Данные представлены в таблице 1.
В течение последних 20 лет происходит непрерывный рост уровня автомобилизации. Одновременно с ростом автомобилизации происходит интенсивное обновление автопарка города автомобилями более высоких экологических классов (примерно 2-3 % в год). По состоянию на начало 2016 года в городе зарегистрировано 1,7 млн. автотранспортных средств 4 и 5 экологических классов (41,7 % парка).
Если бы автопарк не обновлялся, объем выбросов в 2016 году был бы на 45 % выше, чем есть. При этом уровень загрязнения атмосферного воздуха все еще превышает нормативы (О состоянии окружающей среды.., 2017).
Помимо выбросов от автотранспорта с выхлопными газами существенное влияние на загрязнение атмосферного воздуха оказывают выбросы, связанные с истиранием дорожного полотна и деталей автотранспортных средств, а также с нагревом шин в процессе эксплуатации. Автомобильные шины выделяют в атмосферный воздух ряд органических веществ (аммиак, фенол, ксилол, толуол, бензол, стирол, этилбензол, крезол), а также ТМ, даже без нагрева. Оценка интенсивности выброса продуктов износа составных частей автотранспортных средств (шин, накладок, тормозных колодок) показала, что она превышает нормативы выброса твердых частиц с отработавшими газами автотранспорта: для шин в 26,4 раза, для тормозных накладок — до 2 раз (Лепнева, Обухов,1990; Мосина и др., 2017).
В комплексе решения проблемы загрязнения атмосферного воздуха города особую значимость приобретает использование естественного природного потенциала - зеленых насаждений, играющих важнейшую оздоровительную роль в условиях городов – мегаполисов.
Роль зеленых насаждений в предотвращении загрязнения воздуха пылью и промышленными выбросами в городах огромна. Они служат своеобразным фильтром, задерживающим твердые и газообразные примеси, очищающим атмосферу.
Лесные насаждения в черте города Москва несут несравненно большую антропогенную нагрузку по сравнению с насаждениями, расположенными вне черты города и вдали от крупных поселений. С одной стороны, среда их жизнедеятельности характеризуется высокой насыщенностью загрязняющими веществами, с другой - они подвергаются повышенным рекреационным нагрузкам, опасности нецелевого использования (Мозолевская, 1998).
Лесные древостои, произрастающие на пограничных с городом территориях, характеризуются уменьшением отдельных средних таксационных показателей состояния древостоя, увеличением процента усыхающих и сухостойных деревьев, слабым развитием крон, обеднением видового состава травянистого покрова (Ларина, Паракин, 1983; Рысин и др., 1984, 2010).
В ряду негативных факторов влияния на лесные и лесопарковые экосистемы одним из приоритетных в настоящее время является нерегулируемая рекреация. Массовый доступ населения на рекреационные территории на фоне экологического невежества и отсутствия азов экологической культуры вызывает совокупность отрицательных воздействий на биоценозы. В парках, городских скверах, на газонах неоднократно отмечаются захламленность территории, парковка машин, наличие следов кострищ, механические дефекты древесных и кустарниковых насаждений, что угнетает процессы формирования и развития растений вплоть до полного их вымирания. В данных ландшафтах возрастает повреждаемость растений вредителями и болезнями, происходит деградация экосистем, падает видовое разнообразие, снижается численность видов, сокращается биомасса, нарушается функционирование биоценоза (Карпачевский, 1983; Таран, 1985; Рысин, 1987; Рысин10 и др., 2004, 2010; Мосина Л.В., 2012).
Деградация растительного покрова отражает неблагоприятную экологическую ситуацию в Москве, особенно в центре города, в непосредственной близости от экологически вредных предприятий и вдоль крупных автомагистралей (Строганова и др., 1990) (рис. 1).
Зеленые насаждения необходимы городу, в то же время имеется множество препятствий для их нормального развития. В последние десятилетия площади городских лесов значительно сократились, а улучшение качества городской среды стало возможным только при неуклонном соблюдении экологических принципов.
Почвенно-биоэкологический мониторинг охраняемых природных территорий
Главное в биоэкологическом мониторинге - выявить отклик биосферы на антропогенные воздействия на различных уровнях организации живого. Особое место на этой ступени занимает генетический мониторинг возможных изменений наследственных признаков у различных популяций (Агроэкология, 2000). Подразделение мониторинга на три этапа, предложенное академиком И.П. Герасимовым, имеет важное значение как в научном, так и в практическом отношении для понимания процессов, происходящих в системе «общество-природа».
Базовый (или фоновый) мониторинг имеет следующие основные задачи: слежение за состоянием природных систем вне зон локального (или регионального) воздействия и обнаружение воздействия низких концентраций загрязняющих веществ на биотические элементы отдельных экосистем и биосферу в целом (Израэль и др., 1984; Мотузова и др., 1999; и др.).
Цель фонового мониторинга состоит в получении эталона состояния окружающей среды и ее изменения в условиях минимального антропогенного воздействия. Данные базового мониторинга необходимы для анализа результатов всех видов мониторинга (Афанасьев, Фомин, 1998).
Для осуществления базового (фонового) мониторинга используют удаленные от промышленных регионов охраняемые и, в том числе, особо охраняемые природные территории (ООПТ).
Мониторинг состояния ООПТ в черте мегаполисов занимает особое место в системе базового мониторинга, так как на фоне повышенного техногенного воздействия и преобладания значительно трансформированных природных систем ООПТ являются контрольными объектами для соответствующего города, округа, региона.
Фоновый мониторинг ООПТ в мегаполисах позволяет оценивать состояние лесных биоценозов, прогнозировать их динамику и изменение экологических функций лесных массивов под воздействием антропогенно - техногенных факторов.
При проведении базового мониторинга городских лесных комплексов особое внимание следует уделять наблюдениям за экологическим состояние почв как основы структурно-функциональной организации биогеоценозов и наиболее стабильным компонентом лесных экосистем в целом (Первова и др., 2001; Васенев, 2007). Информация об изменениях, происходящих в почвах, позволяет обоснованно оценивать причины и масштабы деградации лесных экосистем (Гришина и др., 1991; Раскатова, 2008).
Таким образом, можно заключить, что для выявления и оценки экологической ситуации в мегаполисах все большее значение приобретают вопросы организации и проведения почвенно-экологического мониторинга имеющихся в пределах крупных городов особо охраняемых и других охраняемых природных территорий, как фоновых территорий для какого-либо конкретного города.
Влияние фактора уплотнения почв на систему «почва растение»
Урбанизированная среда негативно влияет на экологические системы, оказавшиеся в черте городов и пригородах. Городские лесные насаждения выполняют множество защитных и рекреационных функций, поэтому проблема их сохранения является важнейшей для обеспечения устойчивого развития городов и комфортного проживания населения.
С ростом городов усиливается рекреационное воздействие, вызывающее отрицательные изменения экологического состояния лесопарков и пригородных лесов, которые необходимо выявить на ранних этапах, когда еще возможно проведение реабилитационных мероприятий, направленных на сохранение и восстановление биоценозов.
Одной из причин, негативно влияющих на состояние и функционирование «зеленых легких» городов, на физиолого-биохимические процессы в них, является нерегулируемая рекреация, получившая широкое распространение в лесных и лесопарковых ландшафтах, особенно в городах-мегаполисах, и этот процесс нарастает (Карпачевский, 2005; Стационарные исследования влияния рекреации на лесные биогеоценозы.., 2008).
Нерегулируемая рекреация относится к одному из базовых негативных антропогенных факторов, влияющих на городские и пригородные лесные экосистемы. В нашем исследовании рекреация рассматривается как один из антропогенных факторов воздействия на природную среду. Наиболее сильное отрицательное воздействие на экологическое состояние лесных и лесопарковых ландшафтов оказывает бездорожная (немаршрутизированнная) рекреация со спонтанным перемещением отдыхающих по территории. Главный фактор воздействия человека на лес – простое передвижение по нему, в результате которого вытаптываются травы, гибнет молодой подрост, уплотняется подстилка. Воздействие одного или нескольких человек внешне незаметно, однако при массовом поступлении рекреантов процессы восстановления отстают от процессов разрушения (Рысин и др. 2004; Чижова, 2007; Leung, Marion, 1996)
Вытаптывание проявляется в виде прямого механического повреждения растений и верхнего горизонта почв и в виде опосредованного влияния: через ухудшение физических и химических свойств почвы (Brevik, Fenton, 2012) Инженерные исследования показали, что стоящий человек давит на поверхность с силой 200 г/см2, а гуляющий – до 47 кг/см2 (Чижова, 1977)
Результаты исследований В.Н. Спиридонова (1976) показывают, что массовое посещение лесов приводит к сильному уплотнению почвы и увеличению ее объемного веса, в основном, до глубины 10-15 см (Спиридонов, 1976). О прогрессирующем негативном влиянии неорганизованного туризма и возрастающего числа посетителей для активного отдыха на природных территориях на плотность сложения почв говорят ряд авторов, том числе и зарубежных (Киселёва, 2008; Thurston, et al., 2001; Marion, Wimpey, 2009)
Под воздействием рекреационных нагрузок на городские лесные экосистемы увеличение плотности почвы стало выступать как ведущий фактор антропогенного пресса на биоценозы городов. В первую очередь, это связано с огромным притоком народонаселения в Московском регионе.
Плотность почвы, то есть масса единицы объема сухой почвы в естественном сложении, имеет большое экологическое значение. При нарастании уплотнения почвы нарушается режим аэрации, гидротермический режим, развитие корневых систем, снижается интенсивность микробиологических процессов, «дыхание» почвы (Васильева,1973; Соколов, 1983; Рысин и др., 2010; Мосина, 2012)
На территории ЛОД РГАУ – МСХА за прошедший 25-летний период произошли существенные изменения. Вместе с нарастанием плотности почв имеет место значительное захламление территории, особенно в V квартале, который граничит с Большой Академической улицей, там же расположены гаражи.
Доля тропиночной сети в ЛОД в 2010-2014 годах возросла в полтора-два раза по сравнению с 80-90 годами (30-35 %) (рис. 18).
Общей закономерностью отмечается значительное возрастание рекреационной нагрузки, вызвавшей 1,5-2-кратное увеличение площади вытоптанных территорий и почти полностью уничтожившей живой напочвенный покров (1 квартал ЛОД).
Увеличение плотности сложения верхнего гумусового горизонта отмечается практически на всех пробных площадях (под всеми изученными древостоями).
Сравнительная сезонная динамика плотности (величины объемной массы – ОМ) верхнего 10 см гумусового слоя за 25-летний период представлена ниже в таблице 16. Наибольшие различия по годам исследований отмечаются на пробной площади №11. В 1990 г. величина ОМ составляла здесь 1,16±0,09 г/см3, а в 2014 – на 20% больше (1,45±0,08 г/см3).
В отдельные периоды вегетации на участках с повышенной антропогенной нагрузкой величина плотности почвы достигает 1,82±0,09 г/см3.
В весенний период (май) под древостоями (пробная площадь №6) в 1990 году плотность почвы в ризосфере дубового фитоценоза составляла 0,77±0,06 г/см3, а в 2014 г. – 0,87±0,08 г/см3, причём это увеличение не связано с гидротермическим режимом, состояние которого было примерно аналогично предыдущему периоду (Приложения №1 и №2).
Во все периоды вегетации отмечено увеличение плотности почвы, причём наибольшие колебания – на пробной площади №11, что, бесспорно, нарушает аэрируемость корнеобитаемого 10 - см слоя, где располагается основная масса всасывающих корней, которые выполняют главные трофические и санитарно-гигиенические функции (табл. 16).
На модельных территориях проявляется действие сенсибилизационного эффекта, обусловленного возникающим синергическим сочетанием загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) и уплотнения почвы, что в еще большей степени негативно влияет на состояние и функционирование системы «почва-растение».
Увеличение содержания ТМ в почвах на пограничных с городом территориях привело и к увеличению содержания их в растениях. Основным поглотителем токсических веществ является корневая система, которая выполняет главную функцию биологического барьера (табл. 17).
Изменения структуры видового состава микробиологической компоненты в почвах городских лесных экосистем под древостоями
Рекреационные нагрузки, увеличение загрязнения территории, в том числе тяжелыми металлами, вблизи городских агломераций, вызывающее ослабление состояния «зеленых легких», как следует из литературных источников, ингибирует процессы минерализации и синтеза различных веществ в почве (Евдокимова, 1995; Наплекова, Степанова, 2000), что отмечается и в наших исследованиях.
С увеличением антропогенной нагрузки (плотность почвы – 1,6-1,8 г/см3), вызывающей ухудшение аэрируемости корнеобитаемого слоя и нарушение ассимиляционного аппарата растений на фоне повышенного загрязнения ТМ, численность микроорганизмов еще более снижается, что обусловлено сенсибилизационным эффектом.
Анализ численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота (численность на КАА), показал еще более значимое снижение по обсемененности данных групп организмов как в зависимости от степени антропогенной нагрузки, так и вида древесных пород.
Если % снижения аммонификаторов под дубовыми фитоценозами по годам (за 25-летний период) составляет примерно 23,6-44,7 % на участках леса с различной антропогенной нагрузкой, то сукцессия микроорганизмов, развивающихся на минеральном источнике азота под однопородными древостоями, возрастала до 30,6-58,6 % (табл. 20).
Снижение численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, определенным образом свидетельствует о нарушении активности минерализационных процессов в системе «почва-растение», что подтверждается соотношением численности микроорганизмов, развивающихся на органических и минеральных источниках азота (МПА/КАА), т.е. коэффициентом минерализации.
Чем шире это соотношение, тем слабее протекают деструкционные процессы, то есть ослабляются процессы минерализации органического вещества (табл. 21).
На участках леса с повышенной антропогенной нагрузкой процессы минерализации (деструкции) органического вещества протекают значительно слабее, что диагностируется коэффициентом минерализации (соотношением МПА/КАА), величина которого здесь значительно выше и колеблется от 1,6 до 2,6 единиц. Это почти в 2 раза выше показателей в аналогичных лесных фитоценозах в центре лесного массива, где коэффициент минерализации – 1,1-1,6 (рис. 26).
Снижение интенсивности биологических процессов отмечается и при анализе видового состава бацилл, среди которых изменяется соотношение видов, участвующих на разных этапах минерализации органического вещества.
Такие виды, как Bac. cereus, Bac. virgulus, Bac. agglomeratus, участвуют на более ранних стадиях деструкции органического вещества, в отличие от Bac. idosus, Bac. mesentericus - Bac. subtilis, Bac. megatherium, разлагающих органическое вещество на более поздних этапах. Виды Bac. cereus, Bac. virgulus, Bac. agglomeratus обладают более слабым ферментативным аппаратом, поэтому разлагают наиболее мобильные фракции органических веществ, которые содержатся в структуре гумусовых веществ, на начальной стадии минерализационного процесса, в отличие от видов Bac. megatherium, Bac. mesentericus - Bac. subtilis, Bac. idosus, характеризующихся значительно более мощной энзиматической системой, что позволяет им выполнять деструкционное функции более устойчивой, труднодоступной части органических веществ (табл. 22).
Подобное разделение обусловлено различной биохимической активностью бацилл (Тимофеева, 1952), что позволило Е.Н. Мишустину классифицировать их как «северные» и «южные» виды (Мишустин, 1958; Мишустин, Мирзоева, 1958).
Академиком Е.Н. Мишустиным деление бацилл на «северные» и «южные» виды было применено к почвам с разными географическими факторами и зонами; в ряде работ других авторов это положение было дополнено, учитывая принципиально значимые изменения соотношения «северных» и «южных» видов в условиях одного почвенного типа и в одной климатической зоне, но с разной степенью антропогенного воздействия (Довлетярова, 2006; Мосина, Довлетярова, 2013; Мосина, 2003, 1992; Мосина, Бочкова, Шмидт, 1983). Данное положение подтверждается и нашими исследованиями: на участках леса с повышенной антропогенной нагрузкой увеличивается содержание «северных» видов, что подтверждает ослабление минерализационных процессов, усиливающихся в современных условиях (табл. 23).