Экогеохимическая диагностика антропогенной трансформации особо охраняемых природных территорий

Экологические проблемы и природопользование

УДК 910.3:502.62 Д.Н. Андреев

ЭКОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА АНТРОПОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Выполнена апробация методики комплексной диагностики антропогенной трансформации экосистем и выявлены индикаторы антропогенной трансформации особо охраняемых природных территорий. В качестве объекта исследования выбраны две особо охраняемые природные территории, на которых отмечен контрастный уровень антропогенного воздействия. В рамках работы исследованы геохимические, физиологические и ланд-шафтно-индикационные показатели сосновых экосистем. В целях оптимизации состояния природной среды разработан комплекс природоохранных мероприятий.

Ключевые слова: биоиндикация, экологическая геохимия, ландшафтная индикация, антропогенная трансформация, особо охраняемые природные территории.

В настоящее время деградация лесных экосистем под влиянием различного рода антропогенных факторов является актуальной проблемой, которая особенно обостряется на урбанизированных территориях, где природная среда испытывает комплексное повышенное воздействие. Результатом значительной и всевозрастающей антропогенной нагрузки на леса становится утрата их способности выполнять экологические функции.

Для предотвращения деградации природной среды создаются особо охраняемые природные территории (ООПТ), они становятся очагами восстановления прошлого естественного баланса или сдерживают ход неблагоприятных изменений. За состоянием ООПТ необходима организация систематических наблюдений [1].

На сегодняшний день существует множество методов индикации антропогенной трансформации природной среды, однако большинство из них не могут выявить нарушения в экосистеме на ранней стадии изменения ее экологического состояния [2]. Особенно важна информация о влиянии концентраций химических элементов в экосистеме на биологические объекты. Реакция древесных растений на антропогенное воздействие зависит от множества природных факторов [3]. Диагностика трансформации экосистем может выполняться методом сравнения сходных экосистем, находящихся под влиянием различной антропогенной нагрузки [4].

Среди лесообразующих видов одним из широко распространенных индикаторов является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) [5]. Сосна обыкновенная отличается высокой чувствительностью к повышенным концентрациям токсических веществ в окружающей среде.

Материалы и методика исследований

Исследования проводились на ООПТ «Черняевский лес» и «Осинская лесная дача». Охраняемый природный ландшафт местного значения «Черняевский лес» (площадь - 685,97 га) представляет собой лесной массив, который находится практически в центре г. Перми, в окружении жилых районов. В качестве фоновой территории принят охраняемый ландшафт регионального значения «Осинская лесная дача» (площадь - 12 168 га), расположенный почти в 100 км к юго-западу от г. Перми.

Исследования выполнялись согласно «Методике комплексной диагностики антропогенной трансформации особо охраняемых природных территорий» [6], разработанной в Пермском университете. В рамках исследования выполнялись следующие виды работ: определение деградации экосистем; геоботанические описания растительности; лесотаксационные параметры; физиологическое состояние растительности по флуоресценции хлорофилла хвои сосны обыкновенной с использованием флуори-метра «Фотон-10» [7]; геохимические параметры почвы и хвои сосны обыкновенной. Ландшафтная индикация выполнялась на основе анализа данных дистанционного зондирования с применением программных продуктов ENVI 5.0 и ArcGIS 9.3. Для исследуемых территорий разработаны геоинформационные базы данных, включающие в свой состав результаты проведенных исследований.

На ООПТ предварительно выделялись сосновые типы леса зеленомошной группы для проведения индикационных исследований, которые уточнялись в полевых условиях. На обеих территориях заложено по 30 пробных площадок. Всего отобрано 600 проб хвои сосны для измерения замедленной флуоресценции хлорофилла, по 60 проб почвы и хвои сосны для геохимического анализа.

Результаты и их обсуждение

На флуоресценцию хлорофилла напрямую влияют абиотические факторы внешней среды, поэтому в рамках работы составлены графики среднего суточного изменения относительного показателя замедленной флуоресценции (ОПЗФ) на исследуемых территориях в зависимости от температуры и влажности воздуха (рис. 1).

Рис. 1. Дневное изменение относительного показателя флуоресценции хлорофилла при разных погодных условиях

В период дневной фотосинтетической депрессии в жаркую и сухую погоду ОПЗФ снижается до 2 на модельном участке в Черняевском лесу и до 4 - в Осинской лесной даче. В утреннее и вечернее время наблюдаются наибольшие отличия. При низких температурах и высокой влажности значительные отличия наблюдаются в период с 10 часов утра до 15 часов дня.

Дневное изменение флуоресценции хлорофилла на модельном участке в Осинской лесной даче принято за фон при оценке фотосинтетической активности ассимиляционных органов сосны обыкновенной на пробных площадках обеих ООПТ (табл. 1).

Таблица 1

Значения относительного показателя флуоресценции хлорофилла, доли фона

Черняевский лес Осинская лесная дача

№ ПП ОПЗФ № ПП ОПЗФ № ПП ОПЗФ № ПП ОПЗФ № ПП ОПЗФ № ПП ОПЗФ

1 0,90 11 1,03 21 0,77 1 1,19 11 1,15 21 0,85

2 0,94 12 1,02 22 0,98 2 1,35 12 1,12 22 0,83

3 0,60 13 0,63 23 0,76 3 1,25 13 0,93 23 0,54

4 0,65 14 0,74 24 0,92 4 1,30 14 0,89 24 1,00

5 0,59 15 0,52 25 0,89 5 0,98 15 0,98 25 0,89

6 0,44 16 0,76 26 0,82 6 1,20 16 0,97 26 0,72

7 0,57 17 0,79 27 0,84 7 0,97 17 0,48 27 0,87

8 0,57 18 0,66 28 0,89 8 1,02 18 0,49 28 0,80

9 0,64 19 0,75 29 0,64 9 0,91 19 0,63 29 0,86

10 0,92 20 0,70 30 0,61 10 0,82 20 0,69 30 0,78

Среднее ОПЗФ 0,75 ± 0,3 Среднее ОПЗФ 0,92 ± 0,4

В среднем по площадкам «Осинской лесной дачи» значение ОПЗФ меньше на 8% (± 4%) от фона. В среднем по площадкам Черняевского леса значение ОПЗФ меньше на 25% (± 3%) от фона.

Значение ОПЗФ в условиях существенной антропогенной нагрузки ниже на 25% и более относительно фона. Такое отклонение показателя свидетельствует об антропогенном воздействии даже на ранней стадии деградации экосистем.

Таким образом, при антропогенном воздействии существенно снижается замедленная флуоресценция хлорофилла ассимиляционных органов сосны обыкновенной.

По результатам геохимического анализа выявлены общие геохимические особенности исследуемых территорий (рис. 2, 3). Содержание 2п, Си, Р, Со в почве превышает кларк для почв мира почти в два раза. Содержание № в пределах кларка также является нехарактерным для почв легкого механического состава. Относительно низкое накопление отмечено для ряда элементов (Т^ Сг, Sc, 2г, Ва, Ga, Sг, Y, Sn). В хвое сосны кларковое значение превышает концентрация Ga и Мп. Отмечено низкое накопление следующих элементов: V, Сг, Ва, Т^ РЬ, Со, 2п, Си.

По результатам геохимических исследований выявлены различия показателя качества почв и хвои Черняевского леса и Осинской лесной дачи. В почвах легкого механического состава Черняевского леса выявлено превышение содержания ряда микроэлементов. Наибольшие отличия обнаружены по РЬ, Ag, 2г, Ва, Sn, Sc, Т^ Сг, 2п.

В хвое сосны обыкновенной в Черняевском лесу относительно фоновой территории выявлено значительное накопление Т^ V, Сг, Си, №, Со, 2г, Ga.

4

3,5

о

РЬ Ъ п Си Р Со V Мп № Тл Сг 5с Zx В а ва 5г У 8п ----Черняевсктгй лес -Оеинская лесная дача

Рис. 2. Кларки концентраций элементов в почве

2,5

О

О а Мп № V Сг В а Т1 РЬ Со Си Хп ----Черняев ский лес -Оеинская лесная дача

Рис. 3. Кларки концентраций элементов в хвое сосны обыкновенной

По итогам расчета суммарного показателя загрязнения почв в Черняевском лесу на двух пробных площадках отмечен опасный уровень загрязнения, на 8 - умеренно опасный (рис. 4).

Уровень загрязнения почвы на всех пробных площадках в Осинской лесной даче - допустимый.

Дополнительно для характеристики геохимических особенностей территорий посчитаны показатели абсолютного (ПАН) и относительного накопления (ПОН), а также коэффициент биологического поглощения.

В почвах Черняевского леса, по сравнению с фоновой территорией, отмечено наибольшее накопление таких элементов, как Т (650 т/км2), Мп (115 т/км2), Сг (18 т/км2), 7п (17 т/км2). Однако с учетом фонового содержания накопление РЬ и Ag более значимо (табл. 2).

Накопление микроэлементов в почвах Черняевского леса

Таблица 2

Показатель

Сг

Мп

V

Л

Си

7п

РЬ

Sг

Sn

ПАН

18,2

114,7

4,9

657,8

4,2

17,2

8,5

0,05

0,6

ПОН

0,20

0,14

0,04

0,25

0,11

0,16

0,52

0,60

0,09

0,32

В результате анализа рядов биологического накопления обнаружено, что хвоей сосны обыкновенной на обеих территориях сильно поглощаются Мп, Р, Ag, Ва, Си, 8г, 7п, №. Остальные элементы только захватываются, так как поступающие элементы фиксируются и способны удерживаться в почвах, что препятствует переходу в растения. Также содержание тяжелых металлов в растениях может быть обусловлено защитными механизмами, которые регулируют их поступление в организм.

Рис. 4. Суммарный показатель загрязнения почв Черняевского леса

В Черняевском лесу коэффициент биологического поглощения повышен по V, Т^ №, Си, Сг. Это свидетельствует об их высоких концентрациях в хвое, относительно почвы.

Таким образом, в геохимическом отношении антропогенное воздействие выражается в повышенных концентрациях микроэлементов в почве и ассимиляционных органах растений. В сосновых экосистемах влияние деятельности человека приводит к накоплению в почве более чем в два раза относительно кларка почв РЬ и 7п. Также существенное воздействие выражается в повышении концентраций Си, Мп, Ва, 8п, 7г и Ag.

При антропогенной нагрузке наблюдается значительное увеличение концентраций Ni, Cr, V, Ti, Cu и Ga в хвое сосны обыкновенной.

В целях изучения динамики экосистем ООПТ использовались космические снимки Landsat с датой съемки 1975, 1990 и 2010 гг. По результатам дешифрирования данных дистанционного зондирования (ДДЗ) выделено 5 классов объектов в Черняевском лесу и 6 - в Осинской лесной даче. По каждому классу определена динамика изменений за исследуемый период, выявлены их причины, пространственные и временные характеристики.

Динамика экосистем определена путем анализа выделенных классов и результатов составления карт различий, которые основываются на изменении спектральной яркости изображений.

Вследствие нарушения растительного покрова на отдельных участках зарегистрировано увеличение отражающей способности поверхности, что связано с рубками леса, строительством антропогенных объектов, изменением структуры хвойных лесов, обустройством рекреационных зон и т.д.

Уменьшение яркости изображения связано с естественным зарастанием нарушенных земель, искусственным восстановлением сосны и ели, а также с разным по яркости отражением антропогенных объектов.

По результатам дешифрирования ДДЗ на обеих территориях выявлены участки как восстановления растительности, так и ее деградации под влиянием антропогенной деятельности (табл. 3).

В целом в Черняевском лесу с 1975 г. преобладает деградация, вызванная строительством различных сооружений, прокладкой инженерных сооружений, обустройством рекреационных зон. Наиболее деградированные участки находятся на периферии, в рекреационных зонах и землях смежного землепользования. Восстановление вызвано естественным возобновлением лиственных пород, в первую очередь березы на лесных полянах.

В Осинской лесной даче преобладает восстановление. Значительные площади вырубок возобновляются как естественным образом (лиственными породами), так и благодаря посадкам хвойных пород. Деградация обусловлена рекреационным воздействием и заболачиванием, во многом вызванным созданием Воткинского водохранилища.

Для определения продуктивности экосистем сосновых лесов рассчитан вегетационный индекс NDVI. Максимальная величина NDVI является индикатором максимального количества биомассы растительного покрова. Вегетационный индекс рассчитан для обеих территорий по космическому снимку Landsat 7 ETM+ (разрешение - 15 м, дата съемки - 07.08.2012). Пропущенные линии, связанные со сбоем прибора Scan Line Corrector (SLC) в инструменте ETM+, заполнялись данными с аналогичного сенсора с датой съемки 12.08.2011.

Среднее значение вегетационного индекса NDVI для сосновых экосистем по пробным площадкам Черняевского леса составляет 0,62 (±0,1), а Осинской лесной дачи - 0,67 (±0,1). Тем самым на фоновой территории данный показатель выше на 0,5, что считается существенным, так как для сосновых древостоев характерно стандартное значение вегетационного индекса от 0,6 до 0,7.

Таблица 3

Трансформация экосистем исследуемых ООПТ с 1975 по 2010 год

Наблюдаемые изменения Преобладающее направление трансформации Площадь

га %

Черняевский лес

Уменьшение площади хвойных лесов деградация 46,0 6,7

Увеличение площади лиственных лесов восстановление 34,7 5,0

Уменьшение площади лесных полян восстановление 30,9 4,5

Увеличение площади нарушенных земель деградация 32,9 4,8

Увеличение площади антропогенных объектов деградация 9,3 1,4

Осинская лесная дача

Увеличение площади хвойных лесов восстановление 1477,6 11,9

Увеличение площади лиственных лесов восстановление 1425,5 11,5

Увеличение площади смешанных лесов восстановление 1882,7 15,2

Уменьшение площади лесных полян восстановление 135,6 1,1

Увеличение площади болот деградация 59,9 0,5

Уменьшение площади антропогенных объектов восстановление 948,0 7,7

При повышении антропогенной нагрузки изменяется качество природной среды. Экосистемы сосновых лесов трансформируются в сторону деградации. На ранней стадии деградации происходит понижение интенсивности фотосинтеза и продуктивности древесных растений. Изменения обусловлены накоплением ряда микроэлементов в почве и хвое сосны обыкновенной. Выявленный механизм позволил определить не только трансформацию экосистем в целом на ООПТ, но и локальные аномалии.

Основные выделенные индикаторы трансформации экосистем сосновых лесов в целом на исследуемых территориях представлены на рис. 5. По выявленным индикаторам обнаружены и описаны значительные отличия идентичных по происхождению экосистем. По каждому параметру определено фоновое значение, существенное отклонение от которого свидетельствует об антропогенном воздействии.

Результаты анализа локальных аномалий позволили выделить значительно трансформированные участки. Наиболее деградированы экосистемы на трех пробных площадках Черняевского леса, которые находятся в непосредственной близости от автомобильных дорог. Для них характерен опасный и умеренно опасный уровень загрязнения почв, загрязнение хвои тяжелыми металлами (№, Т^ 2п, Сг, V), пониженные значения вегетационного индекса и относительного показателя флуоресценции хлорофилла. Экосистемы на шести площадках также значительно деградированы, что обусловлено близостью участков к антропогенным объектам и рекреационным зонам. Наименее деградиро-ваны экосистемы на шести пробных площадках Черняевского леса, расположенных в зоне особой охраны. Данные участки в основном испытывают воздействие рекреационного фактора.

3 5

га

i

-I- 3

о

¡2,5

и

Ё 2

О

¡и

3 0,5

¡ВЁЛ шДшЙ

ОПЗФ РЪ в гпв Мп в Си в Ва в № в Сг в V в П в

(12:00 почве почве почве почве почве хвое хвое хвое хвое

дня)

Оспнская лесная дача  Черняеве кий лес

Рис. 5. Индикаторы антропогенной трансформации экосистем сосновых лесов

На пробных площадках Осинской лесной дачи наиболее деградированы экосистемы на двух площадках, находящихся в непосредственной близости от автомобильной дороги краевого значения. Деградация экосистем отмечена также на четырех площадках, подверженных воздействию рекреационного и других факторов. Наименее деградированы экосистемы на двенадцати пробных площадках Осинской лесной дачи, на которых все измеряемые показатели находятся в пределах фона.

Выводы

При антропогенном воздействии существенно снижается замедленная флуоресценция хлорофилла ассимиляционных органов сосны обыкновенной. В экосистемах сосновых лесов антропогенное воздействие приводит к накоплению в почве РЬ, 2п, Си, Мп, Ва, Sn, 2г и Ag, а в хвое сосны обыкновенной - №, Сг, V, Т^ Си и Ga. Ландшафтно-индикационный анализ данных дистанционного зондирования позволяет определять фазу трансформации экосистем ООПТ. Комплексная диагностика антропогенной трансформации дает возможность предотвращать вредное воздействие на природную среду на основе выявления обратимых функциональных изменений экосистем.

По результатам экогеохимической диагностики предложены рекомендации по использованию выделенных индикаторов в экологическом мониторинге и контроле состояния окружающей среды. Для исследуемых ООПТ составлены программы экологического мониторинга.

Помимо этого, по итогам диагностики предложены природоохранные мероприятия, которые позволят оптимизировать состояние ООПТ и уменьшить воздействие на них антропогенных факторов.

Проведение рекомендованных природоохранных мероприятий позволит предотвратить или уменьшить вредное воздействие на природную среду. Основой при принятии решений должны служить результаты экологического мониторинга, включающего выявление обратимых функциональных изменений экосистем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Реймерс Н.Ф. Экология: теория, законы, правила, принципы и гипотезы. М.: Россия Молодая, 1994. 367 с.

2. Григорьев Ю.С. Флуоресценция хлорофилла в биоиндикации загрязнения воздушной среды // Вестн. Междунар. академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ). 2005. Т. 10, №4. С. 77-91.

3. Николаевский В.С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояния наземных экосистем методами фитоиндикации / изд. доп. и перераб. Пушкино: ВНИИЛМ, 2002. 220 с.

4. Дончева А.В., Казакова Л.К., Калуцков В.Н. Ландшафтная индикация загрязнения природной среды. М.: Экология, 1992. 256 с.

5. Шуберт Р. Возможности применения растительных индикаторов в биолого-технической системе контроля окружающей природной среды // Проблемы фонового мониторинга состояния природной среды: сб.ст. Л.: ГМИ, 1982. Вып. 1. С. 104-111.

6. Андреев Д.Н. Методика комплексной диагностики антропогенной трансформации особо охраняемых природных территорий // Географический вестн. №4 (23). Пермь: ПГНИУ, 2012. С. 4-10.

7. Григорьев Ю.С., Андреев Д.Н. К вопросу о методике регистрации замедленной флуоресценции хлорофилла при биоиндикации загрязнения воздушной среды на хвойных // Естественные науки. Астрахань, 2012. № 2 (39). С. 36-39.

Поступила в редакцию 26.04.13

D.N. Andreev

Ecogeochemical diagnostics of anthropogenic transformation of nature reserves

The approbation of the technique of complex diagnostics for the anthropogenic transformation of ecosystems is carried out and the indicators of anthropogenic transformation of nature reserves are revealed. Two nature reserves, where the contrast level of human impact was marked, were selected as the object of study. The author researched the geochemi-cal, physiological and landscape-detecting indicators of pine ecosystems. The author developed a set of environmental measures in order to optimize the condition of the natural environment.

Keywords: bioindication, environmental geochemistry, landscape indication, anthropogenic transformation, protected areas.

Андреев Дмитрий Николаевич, заведующий лабораторией экологии и охраны природы

ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» 614990, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: andreev@psu.ru

Andreev D.N., head of the laboratory

Perm State National Research University 614990, Russia, Perm, Bukireva st., 15 E-mail: andreev@psu.ru