Оценка азотного статуса городской лесной экосистемы на основе геоботанических описаний

УДК 630*181.351

ОЦЕНКА АЗОТНОГО СТАТУСА ГОРОДСКОЙ ЛЕСНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ГЕОБОТАНИЧЕСКИХ ОПИСАНИЙ

ASSESSMENT OF NITROGEN NUTRITION AVEILABILITY OF URBAN FOREST BASED ON THE RESULTS OF GEOBOTANICAL MONITORING

Беднова О.В.

Проведёна оценка видового состава травяно-кустарничкового яруса городской лесной экосистемы с помощью экологической шкалы Д.Н. Цыганова. Выявлено преобладание нитрофильных видов, что свидетельствует о достаточно высокой обеспеченность экосистемы азотом.

Assesment of the species composition of sward into urban forest ecosystem has been conducted according to Tsyganov D.N. ecological scale. The nitrophilous species predominate indicating a sufficiently high abudance of nitrogen in soil.

Ключевые слова: городские леса, оксиды азота, эвтрофирование лесов, стенобионты

Keywords: urban forests, nitrogen dioxide, eutrophication of forests, stenobionts

На протяжении последних десятилетий на глобальном и региональном уровнях происходили изменения режима загрязнения атмосферного воздуха. В результате снизились объёмы антропогенных выбросов диоксида серы и заметно уменьшилась кислотная нагрузка на наземные экосистемы, но возросло техногенное поступление оксидов азота (NOx) в биосферу. Последнее стало причиной повышенного внимания к экологическому явлению, обозначаемому как азотное эвтрофирование природной среды [1]. Для лесных экосистем оно сопряжено с изменениями лесорастительных условий через трансформацию режима почвенного питания из-за поступления добавочного азота в легкоусвояемых растениями нитратных формах. На этом фоне помимо повышения продуктивности биомассы имеют место ускоренная минерализация органического вещества в почвенном слое, вымывание из него нитратов, приводящее к загрязнению подземных вод, и усиливается биологическая денитрификации. Т.е. по мере «азотного насыщения» растёт интенсивность миграционных потоков азота из лесных почв в сопряжённые среды. Есть и опасные перспективы для жизнеспособности лесных фитоценозов. Так, на фоне дисбаланса в азотном питании действуют как минимум два негативных для лесных деревьев механизма: из-за отставания в росте биомассы корней снижается ветроустойчивость деревьев и их устойчивость к возбудителям корневых гнилей, а в фотосинтезирующих органах усиливается образование мягких, рыхлых, долго не созревающих тканей, что повышает уязвимость растений в отношении патогенов, морозов и засухи [1, 2].

Пока что нет явных примеров нарушения жизнеспособности лесных экосистем в связи с азотным эвтрофированием. Но уже очевидны иные последствия. Так, на фоне повышения азотного статуса почв наблюдаются трансформация олиготрофных мест обитания в мезотрофные и эвтрофные,

сдвиг в направлении более нитрофильной растительности в видовой структуре лесных фитоценозов [2, 3]. Вследствие этого проблемы смещаются в сферу вопросов, связанных с сохранением лесного биоразнообразия. Прежде всего, усиливается реальность неморализации хвойных лесов и, как следствие, процесса конвергенции лесных сообществ, и в этом случае можно говорить о снижении экосистемного разнообразия лесов. Далее на фоне перестроек структуры растительности возможны изменения взаимоотношений продуцентов и консументов, а в итоге - трансформация всей экосистемной видовой структуры. Возможные экологические последствия такой трансформации нельзя истолковать однозначно, поскольку она реализуется через изменения функционального режима лесных экосистем.

Для современных крупных городских агломераций с их насыщенной транспортной системой в большинстве случаев NОx являются приоритетными загрязнителями атмосферного воздуха. И Москва этому пример... Максимальная интенсивность выпадений оксидов азота (10-15 кг Мга в год и выше) была характерна для столичной агломерации по литературным данным в 80-х гг. прошлого века, в 90-е гг. из-за экономических изменений несколько сократилась, но в 2000-е вновь начала возрастать, что определяло соответствующую динамику поступления азота с атмосферными выпадениями [3].

Азотное эвтрофирование является внешним фактором в отношении лесных экосистем и его действие накладываются на эндогенные сукцессионные изменения. Первым откликается на изменение лесорастительных условий напочвенный покров появлением и усилением обилия видов, требовательных к достаточной обеспеченности азотом. По результатам наблюдений в фоновых условиях известно, что нитрофильные виды растений (как правило, относительно быстрорастущие) появляются и начинают конкурировать в фитоценозе после вспышек массового размножения фитофагов (экскременты личинок являются поставщиками азота) или вследствие развития очагов болезней [4]. Но при затухании очагов положение в достаточно непродолжительный период возвращается на позиции, близкие к исходным. В урбанизированных же условиях мы имеем дело с «хроническим» добавлением азота в виде техногенных выпадений.

Ещё один важный фактор динамики травяно-кустарничкового яруса городских лесов - рекреационное воздействие. Внедрение в подпологовое пространство и разрастание лугово-лесной и сорной растительности рекреационного леса (в варианте без поступления техногенного азота) традиционно связывают с усилением освещенности, изменением теплового и влажного режима почвы. Но ведь за этим стоят и изменения в «малом азотном цикле»: с изменением почвеннно-экологических условий, растительности, фауны беспозвоночных меняется деятельность почвенных микроорганизмов. А в какой степени корректирует этот процесс добавочный азот вследствие техногенных выпадений? И каков азотный статус экосистемы городского леса в современных условиях?

В рамках разработки системы комплексного экологического мониторинга

лесных экосистем городских ООПТ [5] было проведено изучение состояния атмосферного воздуха в условиях городского лесного массива, располагающегося в зоне выбросов от автотранспорта. Объектом послужил ельник Кунцевской дачи,находящийся в зоне влияния автомагистрали Можайское шоссе Кутузовский проспект, а по восточной и южной границам прилегает к Староволынскому шоссе. Под пологом леса части территории ельника, доступной для рекреации определялась имиссионная среднесуточная концентрация N02 методом пассивной дозиметрии. Уровни значений

о

концентраций оказались довольно высокими (от 40 до 120 мкг/м ) даже по меркам санитарно-гигиенических нормативов [6]. Является ли это следствием установления полей загрязнения со стороны автомагистралей, связано ли с денитрификацией, или является следствием обеих причин это - тема специального исследования. Но понятно, что экосистема находится в уязвимом в отношении поступления оксидов азота положении.

Мониторинговые наблюдения в данном лесном массиве начаты в 2005. Пункты постоянных наблюдений (ППН) были заложены в наиболее характерных типах биогеоценозов, сохранивших лесную структуру. Ко времени организации сети мониторинга все участки лесного массива в той или иной степени претерпели рекреагенные изменения. Для получения представления об азотном статусе (обеспеченности экосистемы азотом) могут оказаться информативными данные геоботанических описаний на ППН. Ранее мы использовали их исключительно для выявления динамики соотношения обилий видов разных эколого-фитоценотических групп (далее ЭЦГ) как показателя направленности изменений в лесных биогеоценозах в связи с рекреационным воздействием [5, 7]. О степени обеспеченности же почв азотом можно судить по размеру доли участия стенотопных в отношении богатства почв азотом видов.

Учёт и оценка обилия видов на ППН проводились с использованием 10-бальной шкалы, приведённой для удобства использования к шкале Друде-Уранова (такой приём позволяет осуществлять комбинированную оценку обилия-покрытия) на шести учётных секторах в границах каждого ППН [ ]. Учтённые виды группировались по ЭЦГ. В качестве стенотопных (нитрофильных) в отношении обеспеченности местообитаний азотом во внимание принимались виды, имеющие диапазоны толерантности (Прим.: ниже они обозначаются как N0 на шкале богатства почв азотом В.Д. Цыганова [8] «от 5 до 9» (почвы, достаточно обеспеченные азотом) и «от 7 до 11» (почвы, богатые азотом). Примечательно, что в рамках отдельных ЭФГ есть виды с различными требованиями к азотному статусу почв.

На рисунке 1 представлены результаты обработки данных геоботанических описаний: доля участия нитрофильных видов во всех типах биоценозов высока и незначительно изменилась с 2005 года к настоящему времени в количественном отношении. К 2005 году, как указано выше, поступление техногенного азота в наземные экосистемы в границах московской агломерации уже было высоким.

Интересно, что небольшое снижение долевого участия «строгих»

нитрофилов отмечено на участках, где наблюдаются восстановительные процессы в отношении рекреационной нарушенности (ППН-214 и 215): здесь заметно снижается вклад сорных видов (а большинство из них нитрофильные), зато растёт представленность видов неморально-бореальной ЭФГ (таблица 1).

ППН-208 ППН-214

59,9%

нитрофилы

прочие виды

Рисунок 1- Доля участия нитрофильных видов в составе травяно-

кустарничкового яруса: в 2005 году вложенная диаграмма, в 2015 внешняя диаграмма

Последнее можно связать со стойкой тенденцией к увеличению обилия ландыша майского (Convallaria majalis Ь.), который ко времени последнего учёта на ряде учётных секторов ППН-214 и ППН-215 становится доминирующим (таблица 2). Этот вид не является стенобионтом в отношении почвенного азота ((N¿3-7), т. е. от почв, бедных азотом, до достаточно обеспеченных), но в целом характеризуется экологической толерантностью [8], дающей значительные преимущества в межвидовой конкуренции, что способствует активному распространению вида в разных местообитаниях и определяет устойчивость при антропогенных стрессах. Поэтому прогрессирование ландыша в данном случае можно связать с установлением комплекса подходящих биогеоценотических условий при уменьшении рекреационной напряжённости. Так же как признак восстановления лесной среды можно расценивать появление и тенденцию к росту обилия и другого представителя ЭЦГ неморально-бореальных видов кислицы (Oxalis acetosella Ь.), более требовательной к богатству почвы азотом (N¿5-10).

Таблица 1- Соотношение видов отдельных эколого-фитоценотических групп в суммарном обилии травяно-кустарничкового яруса_

№ Эколого-фитоценотические группы

Ш1Н Год Н НБ Т Б БРЗ ОЛШ ЛЛ С

208 2005 16,7 34,3 0 0,4 1,7 13,8 8,4 24,7

2015 21,3 33,7 0 0 0,6 14,8 4,2 25,4

213 2005 1,3 29,1 0 0,4 3,8 9,8 26,1 29,5

2015 19,2 21,6 0 0,5 3,8 11,7 15,5 27,7

214 2005 17,5 13,7 0 1,9 10,6 9,5 18,3 28,5

2015 20,3 19,9 0 6,4 10,9 12,8 13,9 15,7

215 2005 23,2 5,7 0 0,4 4,5 7,7 13,0 45,5

2015 22,4 13,6 0 0 10,2 12,5 10,8 30,5

216 2005 25,9 17,9 0 2,0 11,2 6,8 19,5 16,7

2015 45,3 15,6 0 2,6 9,4 4,7 10,4 12,0

Примечание: Н - неморальные виды, НБ - неморально-бореальные; Т-таёжные

виды; Б- боровые виды; БРЗ- брезняковые виды; ОЛТТТ- ольшаниковые виды; ЛЛ-лугово-лесные; С-сорные виды.

Для остальных участков (их характеризуют ППН-208, 213, 216) можно отметить некоторое повышение доли участия нитрофилов. Степень рекреационной нагрузки здесь остаётся стабильной, периодически проводится выборка сухостойных и опасных деревьев (что даёт определённый эффект вытаптывания, повреждения подроста и подлеска, изменения подпологовой освещённости), и в отличие от предыдущего примера имеют место кумулятивные дигрессивные процессы (подробнее см. [ ]). Поэтому мало меняется обилие сорных видов и, прежде всего, достаточно нитрофильной недотроги (Impatiens parviflora DC.). В участках с преобладанием ели (ППН-208, 213) в составе древостоя наряду с кислицей (Nt: 5 9) этот вид доминирует травяном ярусе (таблица 2). Так же о повышенном азотном статусе здесь свидельствуют гравилат городской Geum urbanum L.(Nt: 5 11), крапива двудомная Urtica dioica L. (Nt:5 11), мицелис стенной Mycelis muralis (L.) Dumort. (Nt: 5 9).Причём последний проявляет стойкую тенденцию к росту обилия по данным учётов в 2005, 2008, 2012, 2015 гг. На ППН-213 разрастание мицелиса и гравилата привело к смещению соотношения неморально бореальных и неморальных видов в пользу последних (таблица 1). Незначительно флуктуирует по годам обилие нитрофильных будры плющевидной Glechoma hederacea L. (Nt:5-11, относится к ЭФГ лесо-луговых видов) и земляники лесной (ЭФГ березняковые виды, Nt:5 9), разрастающихся в окнах вывалов или рубки.

Таблица - 2 Динамика доминирования в травяно-кустарниковом ярусе

по данным учётов на ППН в 2005 г. и 2015 г. (курсив)_

Номера учётных сегментов

Номера учётных сегментов

1 2 3 4 5 6

ППН-208 Состав древостоя в 2005 году 6Е3Б1Лп + С, Ос, в 2015 году 7Е3Б + С, Лп

Кислица Недотрога Недотрога Кислица Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Кислица Недотрога Кислица Крапива Кислица Крапива Кислица

ППН-213 Состав древостоя в 2005 году 5Е5Б + С, Лп, Кло, в 2015 году 6Б4Е + Лп, Кло

Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога Кислица Будра Недотрога Кислица Будра Недотрога Недотрога Кислица Недотрога Кислица Недотрога

ППН-214 Состав древостоя в 2005 году 4Б3С2Лп1Е, в 2015 году 4С3Б2Лп1Е

Гравилат Недотрога Гравилат Сердечник- недотрога Ландыш Гравилат Недотрога Недотрога Ландыш Гравилат Недотрога Гравилат Гравилат Недотрога Гравилат Ландыш Гравилат Недотрога Недотрога Живучка ползучая Гравилат Недотрога Гравилат

ППН-215 Состав древостоя в 2005 году 4Б3Е2С1Лп, в 2015 году 5Е2С2Б1Лп

Недотрога Гравилат Недотрога Гравилат Чесночница черешковая Ландыш Недотрога Гравилат Ландыш Недотрога Гравилат Вербейник монетчатый Чесночница черешковая Недотрога Гравилат Крапива Недотрога Гравилат Крапива

ППН-216 Состав древостоя в 2005 году 7Б2Лп1Е +С, в 2015 году 8Б1Е1Лп

Недотрога Сныть Гравилат Сныть Недотрога Сныть Гравилат Сныть Недотрога Ландыш Сныть Недотрога Сныть Сныть Сныть Сныть Сныть Ландыш Ландыш

В березняке (ППН-216) «азотную характеристику» улучшает рост обилия сныти Aegopodium podagraria Ь. (N¿7-10), чем и вызвано увеличение доли ЭФГ неморальных видов (таблица 1). На настоящее время этот вид доминирует. Незначительно флуктуирует по годам обилие гравилата городского, мицелиса стенного, мерингии трёхжилковой - Moehringia trinervia Ь. (N¿5-9), земляники обыкновенной, будры плющевидной.

Безусловно, 10-летний период наблюдений - не достаточный срок для выводов о масштабах азотного эвтрофирования лесных экосистем на урбанизированных территориях. Тем не менее, проведённый геоботанический анализ свидетельствует, что нитрофильные виды преобладают и доминируют в травяно-кустарничковом ярусе экосистемы смешанного леса в городских условиях. При этом наблюдается тенденция к росту обилия ряда нитрофильных видов, причём это происходит и в рамках отдельных эколого-

фитоценологических групп, и в разных типах лесных биогеоценозов по отношению к рекреагенной нарушенности. Полученные результаты свидетельствуют о довольно высоком и стабильном азотном статусе экосистемы городского леса.

Список использованных источников

1. Sutton M.A. The European Nitrogen Assessment: Sources, Effects and Policy Perspectives/M.A. Sutton, C.M. Howard, J.W Erisman., G Billet. et al. Cambridge University Press, 2011. 664p.

2. Effects of Nitrogen Deposition on Forest Ecosystems/Ed. Ulla Bertills and Torgny Näsholm. Stockholm and Umeä: Swedish environmental protection agency, 2000 162 p.

3. Припутана И.В. Ретроспективная оценка динамики обеспеченности азотом сосновых лесов ближнего Подмосковья по данным фитоиндикации [Текст]/И.В.Припутина, Е.В.Зубкова, А.С.Комаров// Лесоведение. 2015. № 3. С.172.

4. Иерусалимов Е.Н. Зоогенная дефолиация и лесное сообществох [Текст]/Е.Н. Иерусалимов. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2004. 263 с.

5. Кузнецов В. А. Оценка загрязнения воздуха в лесных экосистемах на урбанизированных территориях на примере Волынского леса [Текст] / В.А. Кузнецов, С И. Гогуева, Ю. Ю. Андрюшин// Образование и наука для устойчивого развития. Материалы международной научно-практической конференции и школы молодых ученых. Ч.1 М.: РХТУ имени Д. И. Менделеева, 2015. C. 182-187.

6. Беднова О.В. Технология нормирования и индикации состояния лесных экосистем в условиях городских особо охраняемых территорий [Текст]/О.В. Беднова// Научно информ. журнал «Лесной вестник». М.: МГУЛ, 2014, № 6.Т.16. С. 36-52.

7. Беднова О.В., Сован А.В. Интегральная оценка уровня трансформации лесной экосистемы в условиях мегаполиса [Текст]/ О.В. Беднова, А.В. Сован //Актуальные проблемы лесного комплекс. Сборник научных трудов. Выпуск 41. Брянск: БГИТА, 2015. С.92-97.

8. Жукова Л.А. Экологические шкалы и методы анализа экологического разнообразия растений [Текст] / Л.А. Жукова, Ю.А.Дорогова, М.Н. Гаврилова, Н.В. Турмухаметова, Т.А.

Полянская. Йошкар-Ола: «Марийский государственный университет», 2010. 368 с.