Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы оценки нарушенности экосистем и их картографирование 6
1.1. Уровни организации экосистем 6
1.2. Классификации экосистем для целей картографирования
1.3 .Критерии оценки нарушенности экосистем 28
Глава 2. Объекты и методика исследований 34
Глава 3. Экологические условия района исследования 42
3.1. Рельеф и геологическое строение 42
3.2. Гидроклиматические особенности 47
3.3. Растительный покров 50
3 Л. Почвенные условия 54
Глава 4. Современное состояние лесных экосистем Бирикчульского лесхоза 61
4.1.Динамика лесного фонда Бирикчульского лесхоза за период 1980-2002 гг 61
4.2. Антропогенное воздействие на лесные экосистемы 69
Глава 5. Критерии оценки антропогенной нарушенности и картографирование лесных экосистем 74
5.1. Современная пространственная структура лесных экосистем региона и создание экологической карты 74
5.2. Динамика растительности и диагностика деградационных процессов 85
5.3. Критерии оценки деградационных процессов по почвенным условиям 102
5.4. Комплексная оценка нарушенности лесных экосистем и их картографирование 117
Выводы 131
Литература 133
Приложение 146
- Уровни организации экосистем
- Рельеф и геологическое строение
- Антропогенное воздействие на лесные экосистемы
Введение к работе
Актуальность темы. Лесные экосистемы Хакасии изучаются исследователями уже более 50 лет, и на современном этапе актуальной задачей является разработка экологических оценок современного состояния лесов с целью сохранения их высокого экологического и ресурсного потенциала. Наиболее полно такая информация может быть получена со специально составленных экологических карт. Такая карта сможет не только дать представление о современном состоянии почвенно-растительного покрова, но и позволит выявить степень антропогенной нарушенности экосистем в зависимости от их регионального и высотного положения. Изучение антропогенных, в том числе и техногенных изменений лесных экосистем необходимо для выявления пороговых значений устойчивости экосистем и последующей разработки рациональных рекомендаций по дальнейшему использованию и охране природных ресурсов.
Цель работы: дать комплексную оценку современного состояния лесных экосистем и картографического отражения в виде карт оценки степени их антропогенной нарушенности на примере Бирикчульского лесхоза Республики Хакасия.
Задачи исследования. 1. Провести анализ современного состояния лесного фонда исследуемой территории и проследить динамику антропогенной нарушенности лесных экосистем за период с 1980 по 2002 гг. 2. Разработать критерии нарушенности почвенно-растительного покрова в зависимости от интенсивности и давности воздействия основных антропогенных факторов (рубок главного пользования и пожаров). 3. Провести комплексную экологическую оценку современного состояния и составить карты антропогенной нарушенности лесных экосистем изученной территории в масштабе 1:50 000.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые в Республике Хакасия осуществлены анализ и оценка состояния лесов, на примере Бирикчульского лесхоза, с применением критериев и индикаторов устойчивого управления лесами; проведена диагностика деградационных процессов, наблюдаемых при антропогенном воздействии, разработана покомпонентная и комплексная оценка современного состояния лесных экосистем; создана карта антропогенной нарушенности, позволяющая не только проанализировать современное состояние лесов региона, но и спрогнозировать их реакцию на дальнейшие антропогенные воздействия.
Защищаемые положения. 1. Современное состояние лесных экосистем Хакасии определяется интенсивностью и давностью антропогенных воздействий, степенью развития деградационных и демутационных процес-
сов. 2. Устойчивыми критериями при оценке антропогенной нарушенно-сти лесных экосистем являются: для фитоценоза - процент уничтоженного древостоя, повреждение подчиненных ярусов и уменьшение ценотиче-ской значимости лесных видов; для почвенного покрова - изменение физических и химических свойств верхних горизонтов почв. 3. Картографирование антропогенно-нарушенных лесных экосистем проводится на фоне экологической основы, подразделениями которой являются высотно-поясные комплексы (ВПК) лесных биогеоценозов - экосистемы среднего ранга, хорологически и функционально обособленные.
Практическая значимость. Созданная комплексная карта современного состояния лесных экосистем может служить базой для картографического мониторинга происходящих антропогенных изменений экологических ситуаций и для оценки эффективности проводимых мелиоративных и природоохранных работ на территории Бирикчульского лесхоза и смежных районов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на региональной (Абакан, 1999), всероссийской (Барнаул, 2001) и 3-х международных научных конференциях (Абакан, 2001; 2002; 2003); на семинарах кафедры экологии и географии Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова, на заседании кафедры геоэкологии эколого-биотехнологического факультета КрасГАУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, состоит из введения пяти глав, выводов и приложения, содержит 29 таблиц и 3 рисунка. Список литературы включает 166 библиографических источников, из них 6 на иностранных языках. К диссертации прилагаются 3 карты исследуемой территории-(М 1:50000).
Уровни организации экосистем
Из всех природных ландшафтов суши лес занимает наибольшую поверхность и играет важнейшую роль в поддержании общего биосферного баланса. Наиболее рациональное и полное использование всех его богатств может быть успешно осуществлено лишь на базе глубокого изучения всех сторон жизни леса, как биологических особенностей древостоя и других ярусов растительности, так и климатических, почвенных, гидрологических и других условий.
Чем глубже знания о свойствах слагаемых лес компонентов, тем более обоснованы будут лесохозяйственные мероприятия и тем больший практический эффект они дадут. Функцию сохранения лесов и поддержание их устойчивого развития призвана выполнять специализированная система лесного мониторинга, обеспечивающая непрерывную регистрацию изменений в функционировании лесов, прогнозирование дальнейшей динамики экологической обстановки, принятии оптимальных решений по её регулированию.
Современный термин «мониторинг» обозначает наблюдение, анализ и оценку состояния окружающей среды, её изменение под влиянием хозяйственной деятельности человека, а также прогнозирование этих изменений (Крапивин, 1991). По его мнению, наряду с развитием техники дистанционного наблюдения за окружающей средой необходимо создание методик, методов и алгоритмов, сортировки и обработки полученной информации, что послужит толчком к формированию геоинформационных систем, главной целью которых будет принятие оптимальных решений.
В.И. Галицкий (1989) считает мониторинг неотъемлемой частью оптимизации природной среды, которая включает в себя комплекс мер по использованию естественных ресурсов, их воспроизводству, охране и оздоровлению среды. Автор отмечает, что мониторинг должен охватывать процессы любого происхождения во временном и пространственном аспектах, а особенно неблагоприятные, ухудшающие состояние природной среды.
Одним из существенных блоков системы мониторинга по праву считается блок оценки и прогнозирования дальнейшего развития различных компонентов природной среды, в том числе лесных ресурсов. А.К. Черкашин и И.О. Шепотько (1982) в системе мониторинга лесных ресурсов выделяют три уровня: биогеоценотический, субрегиональный и региональный, каждый из них ориентирован на получение и дальнейшее использование определенных данных о лесных экосистемах.
В последние годы к комплексному изучению явлений наблюдается исключительно большой интерес. Идея о взаимосвязи всех явлений на земной поверхности далеко не нова, впервые чётко она была выражена основоположником современного почвоведения проф. В. В. Докучаевым в 1899 (Почвоведение, 1989). Затем она получила существенное развитие в трудах лесоводов, ботаников и географов. Современная интенсификация разнообразных антропогенных нагрузок привела к значительным нарушениям, а иногда и уничтожению природных экосистем, что послужило толчком к их более тщательному изучению.
Под природной экосистемой понимается природно-территориальный комплекс, состоящий из двух основных частей: абиотической среды и биоты, в которой совершается внешний и внутренний круговорот веществ и энергии (Tansley, 1935). Они наиболее адаптированы к современным физико-географическим условиям и находятся на определенной стадии эволюционного развития. Природные экосистемы характеризуются тесными взаимосвязями между составляющими их компонентами; они имеют определенную структуру и функциональные взаимозависимости. Основное значение в ее образовании и функционировании принадлежит организму или сообществам организмов. Поэтому анализ всех связей в экосистеме носит биоцентрический аспект: природный комплекс без живых организмов не является экосистемой. В экологических исследования часто используется широко распространенный термин «ландшафт». Ландшафт — геосистема с единым происхождением, общей историей развития, формирующаяся в условиях однородного геологического фундамента, одного преобладающего типа рельефа, одинакового климата с характерным сочетанием почвенно-растительных сообществ (Исаченко, Шляпников, 1989). В отличие от экосистемы, в ландшафте (геосистеме) исследуются все элементы и связи между компонентами, которые считаются равнозначными в образовании и функционировании этого природного комплекса, тогда как при изучении экосистем основное внимание уделяется рассмотрению биотической и биокосной части, т.е. почвенно-растительного покрова и животного населения, их распространению, функциональным и экологическим закономерностям. Д.Л. Арманд (1975) указывает, что в экосистеме «костные компоненты рассматриваются постольку, поскольку они формируют экологические условия существования организмов». По этой причине, по мнению В.Н. Киселева (1998) термин «экосистема» лучше употреблять в тех случаях, когда первостепенное значение придается исследованию биоты, а термин «ландшафт» более уместен при исследовании других компонентов природы - литосферы, почв, вод, воздушной среды. Таким образом, информационное содержание ландшафта более объемно, чем экосистемы,
Экосистемный подход к изучению природных комплексов привел к появлению науки биогеоценологии, объект исследования которой -биогеоценоз. Понятие «биогеоценоз» было сформулировано в 1940 г. В.Н. Сукачёвым, который понимал его как - «конкретный однородный участок местности, на котором взаимодействуют живые (биоценоз) и костные (биотоп) компоненты, объединённые обменом веществ и энергии в единый природный комплекс». Понятие «экосистема» изначально не включало никаких классификационных рангов, но на определенном этапе возникла необходимость их классификации с целью дальнейшей оценки и картографирования. Развивая, вслед за А. Тенсли, понятие экосистемы Дж. Роув (Rowe, 1961) подчеркивает, что существуют иерархии экосистем разного объема и выделяет следующие уровни организации: экосистема, локальная экосистема, региональная экосистема, экосфера. В.И. Василевич выделяет другие уровни организации надорганизменных систем -популяционно-ценотический, экосистемный, уровень материков и океанов, биосферный. Причем в каждом таком уровне обычно можно выделить несколько типов в зависимости от характера взаимодействия между его составными частями (Василевич, 1983).
Значительный вклад в развитие принципов и методов классификации, анализа и картографирования экосистем внесла совместная Советско-Монгольская (Российско-Монгольская) комплексная биологическая экспедиция РАН и АН Монголии. Особое внимание при изучении биологических ресурсов Монголии было обращено на комплексную оценку современного состояния экосистем и оценки степени антропогенной нарушенности. Анализ опубликованных по результатам экспедиции материалов показал, что в природе целесообразно выделять три уровня организации экосистем, отличающиеся друг от друга положенными в основу их ранжирования критериями (Методические рекомендации ..., 1989; Методика разработки ..., 1990; Гунин, Востокова и др., 1992; Краснощеко в, Короткое и др., 1992; Экосистемы Монголии, 1995; Краснощеков, Чередникова и др., 1996).
Рельеф и геологическое строение
Бирикчульский лесхоз занимает восточные склоны Абаканского хребта, являющегося составной частью Кузнецкого нагорья и имеющего протяжённость около 300 км (рис. 1). Представления о геологическом строении и рельефе Кузнецкого нагорья складывались постепенно, по мере накопления фактических данных в процессе хозяйственного освоения территории. Специальные геолого-геоморфологические исследования начали проводиться лишь в последнее время в связи с комплексной геологической съёмкой и составлением сводных геолого-геоморфологических карт.
Согласно геоморфологическому районированию Абаканский хребет относится к Салаиро - Кузнецкой области, занимающей западную часть Алтае - Саянских гор (Средняя Сибирь, 1964; Рельеф Алтае - Саянской ..., 1988). Орографически он представляет собой плоскогорье, со средними высотами 600-1000 м., над которыми поднимаются отдельные вершины гольцов с абсолютными высотами до 2000 метров; сильно расчлененное водно-эрозионными процессами и деятельностью древних ледников. Большое распространение на этом хребте получили каменистые россыпи, особенно выше пределов распространения древесной растительности. На периферии горный рельеф переходит в мягко очерченный холмисто-увалистый (Колобков, 1955; Никольская, 1968).
Среднегорный рельеф для Абаканского хребта (как и в целом для Кузнецкого нагорья) является наиболее типичным и занимает более 60% территории (Михайлов, 1961). Амплитуды относительных высот в среднегорных массивах колеблются от 200-300 м. до 700-800 м. Крутизна склонов различна от 10-20 до 40-50, в среднем составляя 13-15. Низкогорный рельеф встречается на наименее приподнятых, окраинных районах и направлен от среднегорных массивов в сторону предгорной равнины. Для него характерны незначительные колебания относительных высот (100-300 м.), пологие склоны, широкое развитие делювиальных плащей.
В районе исследования работала Бирикчульская гелопьсъёмочная партия осуществлявшая подробное геолого-геоморфологическое изучение и картирование данного региона, проводившая гидрогеологические наблюдения (Широнин, Стреляев, 1964, 1965). В результате изучения было выделено 6 типов рельефа:
1. рельеф древних поверхностей выравнивания (почти выровненный пенеплен),
2. эрозионно-тектонический, образованный за счет интенсивной тектонической деятельности,
3. эрозионно-денудационный, представленный сравнительно слабо расчлененным рельефом,
4. дробно - расчлененный тип, характеризующийся интенсивным развитием процессов физического выветривания,
5. куэстовый тип рельефа - среднегорный, выровненный с мягкими очертаниями склонов,
6. эрозионно-аккумулятивный - созданный деятельностью водных потоков постоянного и временного характера.
Изучаемый район представлен несколькими формами рельефа, сгруппированными в 2 основные группы:
1. рельеф, созданный преимущественно эндогенными факторами,
2. рельеф, созданный преимущественно экзогенными факторами.
Вторая группа наиболее обширна и в ней выделяют формы, созданные действием гравитационных, флювиальных и гравитационно-флювиальных процессов. Гравитационные формы рельефа представлены обвально-осыпными склонами, склонами обвально-осыпного накопления (берега рек Аскиз, Салат, ручья Кюбген и др.). Флювиальные формы представлены делювиальными склонами, склонами плоскостного смыва (верховья ручьев Болто, Палапош, Оту-Чум), долинами временных водотоков и связанные с ними конусы выноса, речными долинами, террасами и карстовыми формами. Флговиально-гравитационные формы рельефа представлены реликтами древних поверхностей выравнивания, дробно-расчлененным рельефом и выровненными поверхностями молодых элювиальных накоплений.
Абаканский хребет относится к возрождённым горам, возникшим на древнем докембрийском и палеозойском основании и испытавшим до основного этапа орогенеза длительный период платформенного развития. Данная горная система сформировалась в каледонский орогенный этап, а затем в мезозойскую эру практически была разрушена и на ее месте образовалась почти равнина - «пенеплен». После длительной эпохи континентального выравнивания, следы которой сохранились в виде плоских вершин и древних денудационных поверхностей, на которых встречаются мезозойская кора выветривания, в результате движений неогенового и раннечетвертичного времени (альпийская складчатость) начались вновь поднятия и образование современных складчато-глыбовых гор. Экзогенные силы, интенсивность проявления которых в горах особенно велика, с новой энергией возобновили свою работу. Реки энергично врезались в окраинные участки поднявшихся горных массивов и прорезали их узкими и глубокими ущельями; на вершинах возобновилась деятельность процессов физического выветривания и т.д. Таким образом, рельеф как бы «омолодился» и снова приобрёл горный характер (Зятькова, 1977; Инженерная геология СССР, 1990; Богоявленская, 1991; Безруких, Кириллов, 1993). В геологическом сложении Абаканского хребта участвуют разнообразные по возрасту, составу и происхождению породы. По характеру тектонической структуры он представляет собой антиклинарий, сложенный протерозойскими и нижнепалеозойскими породами, преимущественно кембрийскими, пронизанными многочисленными каледонскими интрузиями. Наиболее крупный массив - Аскизская интрузия (центральная часть территории, близ пос. Бирикчуль), в ее составе большую часть ( 60%) занимают плагиограниты, так же довольно широко представлены габбро-диабазы, габрро-порфириты, амфиболитовые сланцы и гнейсы, аплитовидные граниты, грано-сиениты. Вторичные изменения горных пород района выражаются в мраморизации, окварцевании и ороговикование. Широко распространены кристаллические известняки, доломиты, зеленоватые песчаники, сланцы и вулканические туфы. К выходам интрузий приурочены месторождения железных руд и металлов.
В ходе крупномасштабных геологических работ и на основе всестороннего анализа структурно-тектонических, литолого-фациальных признаков Бирикчульской геолого-сьемочной партией была предложена следующая стратиграфическая схема:
Протерозойская группа. Представлена верхним отделом (эффузивно-карбонатного состава) и Енисейской серией (сложенной комплексом осадочных образований). Енисейская серия расчленяется на 3 толщи: нижнюю (карбонатно-эффузивную), среднюю (известняковую), верхнюю (известково-доломитовую).
Кембрийская система. Представлена туфогенно-терригенными, туфогенно-глинистыми и карбонатными породы, часто сменяющими друг друга, как по мощности, так и по простиранию.
Девонская система. Разделена на 2 отдела: нижний и средний. Нижний отдел представлен Казановской (красноцветные песчаники с базальными конгломератами в основании), Тейской (образованной порфирами, альбитофирами, туфоконгломератами) и Миланской (состоящей из лавобрекчий с небольшими линзами лито кристаллических туфов) свитами. Средний отдел представлен Абаканской (алевристые песчаники и алевриты), Аскизкой (тонкоплитчатые жёлто-серые и серые алевролиты и известковые песчаники). Илеморовской (мелкозернистые песчаники, тонкозернистые известняки), Бейской (оолитовые тёмно-серые известняки) свитами.
Четвертичный отдел. Образован рыхлыми отложениями, которыми сложены долины ручьёв, рек, днище сухих логов, представлен горными делювиальными, элювиальными, элювиально-делювиальными и пролювиальными отложениями,
Антропогенное воздействие на лесные экосистемы
Лес, как и всякая живая материя, постоянно меняется не только количественно, но и качественно, переходя из одного состояния в другое, причем под действием нарастающего антропогенного воздействия этот процесс не только усиливается, но и подчас меняет свое направление.
Ведущими факторами нарушения (дестабилизации) лесных экосистем Бирикчульского лесхоза являются пожары и рубки главного пользования, менее значительны - посквальные нагрузки и рекреация. Степень влияния этих факторов, а, следовательно, и степень изменения тех или иных компонентов экосистем может очень сильно варьировать в разные временные отрезки. По данным материалов лесоустройства (1980 и 1991 гг.) было выявлено, что в Бирикчульском лесхозе площадь гарей изменилась с 1,33% в 1980 г. до 0,12% в 2002 г. от общей площади земель лесного фонда. Некоторое увеличение площади лесов охваченных пожарами (на 42 га) зарегистрировано в 2000 - 2002 гг. Статистические материалы говорят и еще об одном отрицательном моменте - более половины всех гарей в Бирикчульском лесхозе (51,79%) приходиться на леса I группы, являющиеся наиболее ценными в плане поддержания и сохранения основных средообразующих функций лесных экосистем. Подавляющее большинство зарегистрированных пожаров возникают как устойчиво низовые, которые при соответствующих условиях (например, длительная засуха) в процессе своего развития переходят в верховые, образуя сложные комбинации с преобладанием то одного, то другого типа. Так, например, в 1980 г. низовыми пожарами было пройдено 781,4 га, а верховыми 54,1 га. Основной причиной пожаров (более 90% случаев) является неосторожное обращение с огнем населения (табл. 9).
Результаты маршрутных исследований проведенных в 1998-2002 гг. показали, что только огонь небольшой интенсивности не причиняет существенного вреда лесной экосистеме, что случается довольно редко, особенно в засушливые годы. В подавляющем же большинстве случаев возникновения пожара он быстро распространяется на значительные территории и приводит к повреждению и уничтожению напочвенного покрова и подлеска, прогоранию лесной подстилки, прокаливанию почвенных горизонтов, если пожар преимущественно низовой, и полному уничтожению древостоя при верховом.
Таким образом, изучая возникновение, развитие и распространение пожаров, влияние их на все компоненты лесной экосистемы, их устойчивость и динамику, количественно оценивая возникающие закономерности и используя приёмы и методы математического моделирования послепожарного состояния можно добиться рационального, непрерывного и неистощимого использования лесных ресурсов и сохранение всех экологических функций леса. Необходимо с помощью специальных лесо хозяйственных мероприятий повысить устойчивость естественных насаждений к пирогенному воздействию и тем самым сократить до минимума ущерб в случае их возникновения. Эффективная борьба с огнём и управление лесными пожарами в условиях резкого варьирования горимости лесов возможна только при наличии гибкой системы мониторинга, базирующейся на использовании наземных, авиационных и космических средств и методов наблюдения (Коровин и др., 1998; Фуряев и др., 2000).
В настоящее время в лесном хозяйстве стоит еще одна проблема -максимальное снижение отрицательных последствий рубок главного пользования, являющихся мощнейшим фактором дестабилизации и разрушения лесных экосистем.
В Бирикчульском лесхозе, как и в целом по Хакасии, масштабы лесозаготовок в 90-х годах XX века значительно снизились по сравнению с 70-80-ми годами, что было вызвано нестабильностью экономического развития страны и уменьшением спроса на древесину. Все это привело к тому, что площадь вырубок в лесхозе с 1980 по 2002 гг. сократилась на 13706 га, и составляет по последним данным 0,59% от общей площади земель лесного фонда (табл.9).
Сплошная рубка леса в горных условиях Бирикчульского лесхоза, в первую очередь, приводит к уничтожению эдификаторной синузии древостоя, что влечет за собой нарушение структуры фитоценоза и изменению защитных функций леса. На свежих вырубках - к значительной минерализации поверхности и проявлению интенсивных эрозионных процессов. В большинстве случаев изменения на вырубках приводят в последствии к смене типа лесонасаждения (с хвойного на мелколиственное, либо к экосистеме травяного типа) и изменению почвообразовательного процесса. Основной причиной неудовлетворительного возобновления хвойных пород на вырубках является несоблюдение лесозаготовителями элементарных требований: бессистемная разработка лесосек, не оставлены семенники и семенные куртины, гибель молодняка при очистке лесосек и т.д. Все это приводит к тому, что на исследуемой территории значительная часть вырубок не возобновляется, так как уже в первые годы после рубки и удаления древостоя зарастают травянистой растительностью и образуется сплошная дернина, либо развивается подлесок, что препятствует возобновлению хвойных пород. В целом, используя существующую классификацию (Бажа, 2002), важнейшие антропогенные факторы, воздействующие на лесные экосистемы Бирикчульского лесхоза можно условно разделить на две группы:
а) факторы, воздействие которых приводит к полному уничтожению растительности, разрушению структурных связей между компонентами экосистемы и формированию новой экосистемы. Например, сплошные рубки на больших площадях и пожары высокой интенсивности на исследуемой территории приводит к смене типа лесонасаждения (с хвойного на мелколиствен ное).
б) факторы, воздействие которых приводит к трансформации коренной растительности (но не полному ее уничтожению), с высокой вероятностью ее восстановления после прекращения воздействия (рубки на небольших площадях, низовые пожары низкой интенсивности.
Похожие диссертации на Современное состояние и картографирование лесных экосистем Кузнецкого Алатау (На примере Бирикчульского лесхоза Республики Хакасия)
