Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Устойчивость лесных экосистем (аналитический обзор) 8
1.1. Общие вопросы устойчивости экологических систем 8
1.2. Устойчивость лесных экосистем к рекреационной нагрузке 16
1.2.1. Основные понятия 16
1.2.2. Рекреационная дигрессия 18
1.2.3. Определение предельно допустимой рекреационной нагрузки и оптимизация рекреационного лесопользования 22
1.3. Устойчивость экосистем к техногенному загрязнению атмосферы 32
Глава 2. Объект, методика и объем исследования 39
2.1. Лесорастительные условия экосистемы Челябинского бора 39
2.2. Общая характеристика состояния Челябинского бора 41
2.2.1. Возраст, состав, площадь древостоев 41
2.2.2. Лесопатологическая обстановка 42
2.2.3. Лесопожарная обстановка 44
2.2.4. Радиационная обстановка 45
2.3. Флора и фауна Челябинского бора 46
2.4. Методология исследования 47
2.4.1. Общие методологические положения 47
2.4.2 Объем и достоверность исследований 48
2.4.3. Общие методы изучения лесных экосистем 50
2.4.4. Специфические методы изучения рекреационных лесов 55
2.4.5. Статистическая обработка данных 57
Глава 3. Состояние древостоев Челябинского городского бора в связи с рекреационной нагрузкой 61
3.1. Рекреационная ценность Челябинского бора 61
3.1.1. Обеспеченность жителей Челябинска рекреационными ресурсами 61
3.1.2. Факторы рекреационной привлекательности Челябинского бора 62
3.2. Состояние участков Челябинского бора с различными уровнями рекреационной освоенности 63
3.2.1. Центральная часть бора (участок 1) 63
3.2.2. Северо-западная часть бора (участок 2) 68
3.2.3. Южная часть бора (участок 3) 72
3.3. Сравнение исследованных участков островных боров с различными уровнями рекреационной нагрузки 78
Глава 4. Зависимость параметров лесной экосистемы от величины рекреационной нагрузки 86
4.1. Автоматическая классификация признаков лесной экосистемы... 86
4.2. Устойчивость отдельных признаков лесной экосистемы к антропогенным нагрузкам 95
4.3. Гомеостатические плато и синергизм в действии антропогенных нагрузок налесную экосистему 102
Выводы и рекомендации 107
Литература 112
- Общие вопросы устойчивости экологических систем
- Лесорастительные условия экосистемы Челябинского бора
- Центральная часть бора (участок 1)
Введение к работе
Актуальность исследования. Рекреационные леса имеют особую ценность для поддержания здоровья и сохранения работоспобности населения. Роль рекреационных лесов многократно возрастает в условиях напряженной экологической обстановки, характерной для большинства крупных промышленных городов. Сохранение островных боров Южного Урала является актуальной задачей не только вследствие того, что эти экосистемы имеют исключительное рекреационное, санитарно-гигиеническое и водорегулирующее значение, но и по причине их особой ценности как реликтов перигляциальной лесостепи. Изучение санитарного состояния лесов, разработка методов экспресс диагностики степени рекреационной дигрессии, выявление критериев устойчивости к антропогенным нагрузкам - важные практические и методологические задачи.
Актуальность работы обусловлена также малой изученностью характера течения дигрессионных процессов, в том числе особенностей рекреационной дигрессии в островных борах Южного Урала в условиях фактора азональносте. Авторы предлагают различные критерии устойчивости рекреационного леса: сохранение видового состава и продуктивности фитоценоза (В. Д. Перезвоников, 2002); изменение трендов текущего прироста по классам возраста (И.Я. Лиепа и др., 1981); изучение доза-эффект зависимостей и нахождение точки перегиба функции, параметра кусочно-линейной аппроксимации, а также определение предельной нагрузки как максимально недействующей (Е.Л. Воробейчик, 1994).
Леса являются важнейшим стабилизационным компонентом биосферы. Будучи наиболее продуктивной группой экосистем Земли, они играют исключительную роль в поддержании экологического равновесия: предотвращают смывы и размывы почв, ослабляют силу ветров, способствуют накоплению влаги в почве и увеличивают фильтрацию поверхностных стоков (а следовательно, регулируют водосборный режим рек). Более того, леса, создавая определенный микроклимат, являются специфической средой обитания.
Велика геохимическая функция лесов, Так, в среднем на 1 тонну органики леса из атмосферы поглощается 1,5-2 т углекислого газа и выделяется 1,4 т кислорода. Кислородный потенциал уральских лесов составляет 910 т/год.
В соответствии с лесным законодательством РФ, леса по своей значимости разделены на три группы. Леса I группы выполняют, в основном, санитарно-гигиенические, оздоровительные и защитные функции. Это — леса, расположенные вдоль рек, озер, водохранилищ, автомобильных и железных дорог, островные боры, степные колки, леса зеленых зон городов, леса санитарных зон водоохраны источников водоснабжения, особо охраняемые территории и т.д. [102]
Объект нашего исследования, Челябинский городской бор, относится к лесам первой группы. Он выполняет санитарно-гигиенические и рекреационные функции. Так как Челябинский городской бор — ленточный, он также выполняет функции водоохранные и водорегулирующие. Челябинский городской бор — реликт перигляциальной лесостепи, островной бор, является ботаническим памятником природы и играет особую роль в сохранении биоразнообразия на уровне экосистем.
Важно и эстетическое значение бора, его положительное влияние на нервно-психическое состояние людей. Так, Т.Д. Гавриянова, проведя исследования в 68 городах, установила четкую связь между продолжительностью жизни людей и площадью зеленых насаждений, приходящейся на одного жителя. [91]. Н.Ф. Реймерс предполагает, что такой эффект вызван, прежде всего, психо-эмоциональным воздействием леса [91].
Челябинский бор играет большую роль в задержании пыли, поглощает углекислый газ (около 8 кг СОг на 1 га), сернистый газ и оксиды азота, играет роль в уменьшении шумового загрязнения окружающей среды. [48]
К этому следует добавить, что Челябинский бор — уникальная для нашей зоны экосистема, реликтовый бор. Экологическое разнообразие является основой стабильности экосистем [124], [135]. Уменьшение биоразнообразия, упрощение структуры биогеоценоза, разрыв его внутренних связей приведут к падению стабильности как самого Челябинского бора, так и связанных с ним экосистем. Сокращение площади бора, его дигрессия могут вызвать ухудшение санитарно-экологической ситуации, изменить объем речного стока Миасса, привести к полному исчезновению леса как реликта.
Использование методов многомерной статистики позволит выделить наиболее чувствительные к рекреационной нагрузке признаки лесной экосистемы, определить роль структуры древостоя в поддержании устойчивости рекреационного леса, учесть эффект сочетанного действия антропогенных нагрузок. Данный подход является перспективным направлением в решении практически важной задачи - разработки научно обоснованных нормативов предельно допустимых рекреационных нагрузок на лесные экосистемы.
Цель исследования - определение критериев устойчивости островных боров Южного Урала к рекреационной нагрузке в условиях фактора азональносте при различных уровнях техногенного загрязнения атмосферы.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие конкретные задачи:
1. Разработка интегрального индекса оценки состояния рекреационно нарушенных экосистем сосновых боров.
2. Изучение характера течения дигрессионных процессов в рекреационных лесах
3. Оценка суммарного эффекта сочетанного действия рекреационных нагрузок и техногенного загрязнения
4. Изучение санитарного состояния, структуры Челябинского и Чебаркульского боров при различных уровнях рекреационной нагрузки
5. Разработка мер по сохранению уникальных рекреационных боров Южного Урала и прогноз эффективности этих мероприятий Научная новизна. Впервые выявлены:
- эффект гомеостатических плато в действии рекреационной нагрузки на отдельные признаки лесных экосистем;
-наиболее чувствительные к рекреационной нагрузке параметры экосистем островных боров Южного Урала;
-рассчитан индекс рекреационной нарушенности, позволяющий по пяти наиболее значимым биоиндикационным показателям лесной экосистемы оценить степень рекреационной дигрессии;
- показан синергизм в действии рекреационной нагрузки и техногенного загрязнения атмосферы на лесную экосистему;
-показана роль структуры древостоя в поддержании устойчивости и диагностике степени нарушенности лесной экосистемы.
Предложено при изучении рекреационных экосистем фиксировать удаленность учетной площадки от ближайшей тропы или просеки, так как даже в пределах небольшого участка леса (500 м ) рекреационная нарушенность древостоя существенно отличается на различных расстояниях от тропы.
Практическая значимость. Результаты исследования можно использовать для экспресс-диагностики состояния рекреационного леса. Результаты исследования позволяют прогнозировать ход дигрессионных процессов при различных уровнях рекреационной нагрузки. Для практики управления рекреационными лесами большой интерес представляет возможность определения максимально допустимых рекреационных нагрузок с учетом синергетического эффекта воздействия техногенного загрязнения на лесную экосистему. Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе при выполнении дипломных проектов.
Достоверность исследований обеспечена тем, что работа опиралась на основные методологические положения учения о лесе; использованием компьютерных программ обработки данных методами математической многомерного статистического анализа; репрезентативностью контролируемых признаков лесной экосистемы.
Апробация работы: результаты исследований были доложены на научных, научно-практических конференциях и семинарах:
международных («Мониторинг лесных и урбо-экосистем», Москва -МГУ Л, 2002; «Леса Евразии в третьем тысячелетии», Москва - МГУЛ, 2001; «Ломоносов», Москва - МГУ, 2000);
всероссийских («Экологическая безопасность Урала» - конференция «Уралтехноген», Екатеринбург - Департамент природных ресурсов по Уральскому округу, 2002; «Биосфера и человечество» - конференция молодых ученых памяти Н.В. Тимофеева-Ресовского, Екатеринбург - Институт экологии растений и животных, 2000);
региональных и межвузовских конференциях - научно-практические конференции Южно-Уральского университета, Челябинск 2001, 2002, 2003 годов; «Молодежь и образование в 21 веке» - областная межвузовская научно-практическая конференция, ЧГПУ, Челябинск, 2000; и другие.
По материалам диссертационного исследования опубликовано 13 работ, еще две работы находятся в печати.
Часть диссертационного исследования проводилась при финансовой поддержке гранта Правительства Челябинской области (конкурс грантов аспирантов Министерства образования РФ и Правительства Челябинской области, 2002 год).
Общие вопросы устойчивости экологических систем
Устойчивость экологических систем и биосферы в целом - одна из наиболее актуальных проблем современной экологии. Человечество встало перед необходимостью оценить возможные пределы антропогенного воздействия на природную среду. Изучение устойчивости экосистем - важное условие научно-обоснованного природопользования.
Представления об экологической устойчивости не устоялись в современной науке. Разные авторы предлагают различные подходы к определению феномена устойчивости, и соответственно, выделяют различные критерии устойчивости экосистемы. Н.Ф. Реймерс [91] определяет устойчивость экосистемы как способность к пропорциональному по величине отклику на величину воздействия и отмечает, что терминология понятийных групп «стабильность» и «устойчивость» в науке не устоялась. Экологическая стабильность, напротив, определяется им как способность экосистемы противостоять внутренним абиотическим и биотическим факторам среды, включая антропогенные воздействия.
Ю. Одум [78] выделяет два типа устойчивости: резистентную и упругую, которые по смыслу близки к терминам Реймерса «стабильность» и «устойчивость». Упругая устойчивость предполагает возможность возвращения к «точке равновесия» после снятия нагрузки, а резистентная — сохранение данного типа системы (аналогично стабильности). Эти два типа устойчивости взаимоисключают друг друга, причем в эволюционном плане, по мере приближения экосистемы к ее климаксовому состоянию, в большинстве случаев упругая устойчивость ослабевает, а резистентная - усиливается.
Е.Г. Мозолевская [69] дает следующее определение: «Устойчивость лесов - это их способность сохранять свои свойства и функции, долговечность и длительность роста при определенном типичном для данного региона уровне изменчивости факторов среды». В качестве основных критериев сохранения устойчивости выдвигаются такие свойства лесной экосистемы как долговечность и длительность роста.
А.Ж. Меллума, Р.Х. Рунгуле, И.В. Эмсис [66] определяют устойчивость как «способность противостоять внешним воздействиям до некоторого предела, за которым происходят необратимые изменения». Таким образом, главным критерием потери устойчивости авторы считают необратимость изменений, что вполне соответствует сформулированному Н.Ф. Реймерсом [91] закону эволюционно-экологической необратимости. Н.Ф. Реймерс дает следующую трактовку этого закона: «экосистема, потерявшая часть своих элементов или сменившаяся другой в результате дисбаланса экологических компонентов, не может вернуться к первоначальному состоянию в ходе сукцессии, если в ходе изменений произошли эволюционные перемены в экологических элементах или один либо группа видов исчезла навсегда или на длительный срок». Подчеркивается, что при снижении биологического разнообразия за критический уровень климакс, идентичный прошлому, не может быть достигнут.
Volker Grimm с соавторами (1996, [132]) рассмотрели в своем обзоре 163 определения понятия «экологическая устойчивость» в рамках более чем 70 различных концепций. Как показали авторы, в большинстве исследований, термин «устойчивость» может быть заменен понятиями «постоянство» (остающийся неизменным), «динамическая устойчивость» (возвращение в определенное состояние), «эластичность» (временность повреждений), «персистирование» (существование экологической системы на протяжении необозримо длительного времени).
По мнению Volker Grimm, в определении экологической устойчивости всегда необходимо уточнять:
- об экосистемах какого уровня иерархии идет речь (от гниющего дерева до биосферы в целом);
- какие параметры экосистемы имеются в виду (размер популяций,
-10-продуктивность, резервная биомасса, скорость биологических круговоротов, пространственная структура и т.д.);
- каковы естественные флуктуации этих параметров экосистемы, наблюдающиеся в отсутствие внешних воздействий (равновесие, тренды, циклы, высокая или низкая вариабельность);
- что представляет собой внешнее воздействие, оказываемое на экосистему (продолжающееся, хроническое воздействие или кратковременный эффект, интенсивность внешнего воздействия, частота возникновения повреждающего фактора и другие его параметры);
- пространственный масштаб, учитываемый в исследованиях (размеры импактной зоны, способность исследуемых видов к расселению и распространению, типичные пределы пространственной неоднородности исследуемой области);
- временной масштаб, учитываемый в исследованиях стабильности экосистем (временная структура экологической неоднородности изучаемой экологической системы).
Определяя устойчивость фитоценоза как его способность противостоять внешним изменениям среды в целях сохранности числа видов, их количественных соотношений в данном растительном сообществе и взаимоотношений в течение некоторого интервала времени, Б.М. Миркин с соавторами (2002), сводят это понятие к резистентной устойчивости в понимании Одума. Такой подход исключает динамическую устойчивость сообщества в ответ на внешнее воздействие.
Лесорастительные условия экосистемы Челябинского бора
Челябинский бор — островной, ленточный бор. Общим для островных боров Южного Урала является своеобразие происхождения: они представляют собой реликты перигляциальной лесостепи. Реликтовый характер южноуральских боров не только придает их экосистемам особую ценность, но и является азональным фактором (боры расположены в несвойственной для них природной зоне - лесостепи). Вследствие этого обстоятельства устойчивость экосистемы Челябинского городского бора может оказаться сниженной.
Ленточными борами называют сосновые леса в виде лент и обособленных групп деревьев, часто вдоль рек, приуроченные к песчаным и древнеаллювиальным отложениям, выходам гранита [54]. Их относят к лесам первой группы и категории особо ценных лесных массивов.
Челябинский бор расположен в восточной части Южно-Уральской горной страны, на стыке двух географических регионов — Урала и Западно-Сибирской низменности. Положение Челябинского бора согласно лесорастительного районирования Челябинской области [13] можно охарактеризовать так:
лесостепная лесорастительная область Западно-Сибирской низменности;
Зауральская пред горно-равнинная провинция;
Аргаяшский северно-лесостепной округ.
Северно-лесостепной округ характеризуется абсолютным преобладанием березовых колочных лесов и вторичных березняков, сменивших сосновые, что указывает на действие азонального фактора.
Челябинский бор расположен на правом берегу реки Миасс в городской черте. На западе и на севере он ограничен рекой, на юге — каменным карьером. Северо-восточная часть - это парк культуры и отдыха им. Ю.Гагарина. Собственно бор делят на три части: центральную (наиболее рекреационно нарушенная), южную (наименее рекреационно нарушенную) и северную (с рекреационной нагрузкой средней и низкой интенсивности).
Рельеф бора всхолмленный, с отдельными сопками высотой 8-15 м, с пологими склонами. Абсолютные высоты над уровнем моря 165-205 м. Во многих местах - выходы гранита. Рельеф центральной части бора имеет общий уклон к долине р. Миасс (от 5 градусов), с юго-востока на северо-запад. Рельеф южной части имеет мягко-увалистый характер. [83].
В бывших каменоломнях (кварталы 36, 46) есть несколько искусственных водоемов. В кв. 41 находится естественное озерцо. Река Чекинка пересекает весь бор, впадает в Миасс. В бору много источников, вода которых содержит радон.
Общая площадь бора составляет 1221 га, из них лесной площади — 1101,7 га, лесопокрытой — 1034,9 га, не лесная составляет 119,3 га.
Характерно преобладание дерново-подзолистых и оподзоленных типов почв. Отмечается некоторая сухость почвенного покрова и малая мощность гумуса.
Островная форма боров обусловлена их приуроченностью к выходам на поверхность горных пород кислого состава или к осадочным песчаным первогрунтам. Челябинский городской бор располагается на местах выхода или близкого залегания гранитов и продуктов их разрушения. Челябинский бор почти полностью расположен на массиве серых среднезернистых гранитов.
Территория г. Челябинска расположена на стыке Восточно-Уральского поднятия с Восточно-Уральским прогибом. Синклиналий сложен вулканогенно-осадочными породами среднего и нижнего палеозоя, которые прилегают к антиклиналию с востока по зоне разлома. [22] Вулканогенно-осадочные горные породы нижнего и среднего палеозоя пронизаны интрузиями верхнего палеозоя с возрастом 280-250 млн. лет. Формирование интрузий происходило многократно. Массив распространился далеко на запад, а в городе имеет основное развитие его восточная часть — Каштакский массив, среди которого выделяются интрузивные образования гранитного и диоритного состава. [54] Граниты относятся к интрузивным кислым породам.
Бор богат грунтовыми водами. По условиям залегания их можно разделить на три группы:
1. Грунтовые и пластовые воды рыхлых покровных отложений; часто загрязнены и для питьевых нужд не годятся.
2. Воды, связанные с зонами дробления Челябинского и Шершневского разломов; уровень вод колеблется в пределах 7-27 м; питание за счет инфильтрации атмосферных осадков, а также прямая связь с р. Миасс;
3. Трещинные воды интрузивных пород; глубина залегания 2 - 2,5 м, имеют хорошие питьевые качества.
Центральная часть бора (участок 1)
Участок 1 был заложен в Центральной части Челябинского бора, которая примыкает к территории лесопарка (Парка культуры и отдыха - ПКиО) и испытывает наибольшую рекреационную нагрузку.
Для центральной части Челябинского бора характерны старые сосны с широкими, разреженными кронами. Насаждения полуоткрытые, в древостое сосна с незначительной примесью березы. Деревья находятся на достаточно большом удалении друг от друга. Практически отсутствует подлесок. Травянистый покров представлен рудеральными, остепненными и луговыми видами (наибольшее обилие и проективное покрытие характерны для злаков: Роа pratensis, Festuca ovina, Elytrigia repens и др.). Возобновление сосны в этой части леса практически прекратилось, мало количество подроста и доля благонадежного в нем.
Рекреационная нагрузка. Пробная площадь расположена в части Челябинского бора с интенсивным рекреационным лесопользованием. Рекреационная посещаемость колебалась от 63 чел час"1 га"1 (вблизи просеки) до 23 чел час"1 га"1 (на удалении 30 м от просеки).
Преимущественная форма рекреации - дорожная и бездорожная (прогулки и использование утилитарного фонда - сбор грибов ягод). В связи с этим рекреационная интенсивность сравнительно невелика, ее максимальные значения - 10,5 чел.-часов га"1 час"1 - при среднем времени пребывания рекреантов на участке в 1 га 10 минут (0,17 часа).
Плотность почвы колеблется от 2,85 г/см вблизи тропы (просеки) до 1,44 г/см на расстоянии 10 м от ближайшей тропы и 1,12 г/см на расстоянии 30 м. Водная кислотность почвенного раствора составила 5,7 - 7,8. Значения кислотности водной, солевой и ацетатной вытяжек, соотношение форм железа в различных степенях окисления, плотность и влажность почвы приведены в таблице 3.1.
Средний диаметр Dcp 18,8 см, медиана диаметра 12,7 см, геометрическое среднее 12,8 см. Распределение деревьев по ступеням толщины приведено на рис. 3.1. Как видно из диаграммы, при значительном количестве стволов 4-8 см толщины (45,3%) вариационная кривая для остальных деревьев имеет явный скос вправо с преобладанием старых сосен с диаметрами 32-44 см.
В соответствии с общебонитетной шкалой (при Нср=16, IV классе возраста) участку присвоен бонитет III.
Множественный коэффициент корреляции для приведенного выше уравнения регрессии (рис. 3.2.) составил R =0,98, что свидетельствует о хорошем схождении эмпирических и расчетных значений. Напряженность роста древостоя (отношение средней высоты к средней площади поперечного сечения) H/S составила 0,058.
Абсолютная полнота древостоя составляет 11,2 м /га. Относительная полнота составляет р=0,3. Соотношение деревьев в разных категориях состояния и степень их охвоенности приведены в таблице 3.2. Индекс состояния составляет: ИС=р»ЕЯіґі=0,3» 5,58=1,67
Редукционные числа приведены в таблице 3.3. Разница между редукционными числами 1-го и 10-го классов местоположения составила
ADOTH=2,367, что характеризует древостой как достаточно гетерогенный.
Класс местоположения 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Редукционное число 0,23 0,27 0,30 0,33 0,47 1 1,61 1,96 2,27 2,60
Средний балл повреждения сосен стволовыми вредителями составил 0,91 ±0,1, количество поврежденных насекомыми деревьев составило 58±2,5%. Листогрызущие насекомые не были обнаружены. Средний балл повреждения сосен смоляным раком составил 0,58±0,02. Среди других грибных заболеваний единично отмечалась ведьмина метла.
Средний балл дефолиации составил 2,4±0,1, средний балл дехромации -0,82±0,06.
Длина годовых побегов (отбирались наиболее развитые побеги из третьей верхушечной мутовки) текущего и прошлого года составила соответственно 2,6±0,2 см и 3±0,2 см.
Балл плодоношения составил 0,51±0,02. Плодоносящие сосны -единичные, одиночно стоящие сосны. В соответствии с глазомерной шкалой
-67-В.Г. Каппера урожайность сосен на пробной площади оценивается в 2 балла -очень плохой урожай, шишки в небольшом количестве на опушечных, одиночно стоящих деревьях.
К когорте подроста было отнесено 14,5+4% всех сосен, что составило 467 сосен-подроста /га. Согласно В.И. Обыденникову [77], это составляет 5,2% от минимальной густоты подроста под пологом леса, при которой лесовозобновительный процесс считается удовлетворительным.
Результаты анализа трехмерных диаграмм множественной корреляции степени дефолиации, диаметра ствола и удаленности дерева от ближайшей тропы показали, что дефолиация обнаруживает два пика: первый соответствует деревьям с малыми диаметрами вблизи тропы, второй - деревьям с максимальными диаметрами, находящимися на некотором удалении от тропы. Вероятно, первый пик соответствует ослабленным деревьям, испытывающим максимум рекреационной нагрузки, а второй - старовозрастным деревьям. Более выражен первый пик, охватывающий деревья с диаметром от 0,5 до29 см. (рис. 3.3). Поверхности трехмерных графиков строились как взвешенные наименьшие квадраты расстояний со степенью сглаживания 0,25.
