Информационно-аналитическая система для оценки антропогенной нарушенности лесных ландшафтов

_______________ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА__________________________

№ 309 Апрель 2008

БИОЛОГИЯ

УДК 911.2+581.524.342

А.П. Гусев, А. С. Соколов

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ АНТРОПОГЕННОЙ НАРУШЕННОСТИ ЛЕСНЫХ ЛАНДШАФТОВ

Рассмотрены вопросы создания информационно-аналитической системы для оценки антропогенного воздействия на природные геосистемы и их экологического состояния. Разработана система индикаторов состояния лесных геосистем топологического уровня, в основе которой лежат характеристики растительного и почвенного компонентов. Приведены диапазоны значений индикаторов для различных классов экологического состояния лесных геосистем.

В настоящее время большая часть лесных геосистем Белоруссии находится в условиях значительной техногенной нагрузки, приводящей к ухудшению экологического состояния лесов. Реакции геосистем на техногенные воздействия проявляются как их свойствами (устойчивостью, изменчивостью), так и степенью и продолжительностью этих воздействий. При небольших или кратковременных воздействиях геосистемы, испытывая нарушение, могут восстанавливать свое исходное состояние, при этом сохраняя структуру и тип функционирования, т.е. изменения будут носить обратимый характер. При значительных, но не превышающих критических антропогенных нагрузках количественные изменения параметров геосистем влекут качественные преобразования, замещение одних элементов другими при сохранении природного системообразующего ядра и образовании антропогенного ядра, нарушается функционирование, изменяются интенсивность природных процессов и характеристики ряда компонентов. Однако эти изменения совершаются в рамках прежней структуры, поэтому смены ландшафтов не происходит, а появляются их новые модификации [1. С. 36; 2. С. 21]. Модификации коренной геосистемы последовательно сменяют друг друга во времени и пространстве с увеличением нагрузки. Каждому типу антропогенного воздействия соответствуют свои серии модификаций, которые отражают возрастающий уровень нагрузки и отличаются последовательным возрастанием различий с коренной природной геосистемой.

При нагрузках, превышающих критические значения, помимо биоты, почв, водного режима, могут изменяться твёрдый фундамент, рельеф, климат, что влечет за собой полностью необратимые изменения геосистем и образование совершенно новых, полностью созданных деятельностью человека комплексов (карьеры, отвалы и т.д.).

Выраженность стадий, количественные показатели скорости и продолжительности формирования новых состояний и смен ландшафтов (т. е. характер изменения их временной структуры) в разных природных условиях и при воздействии различных антропогенных факторов неодинаковы. В общем случае можно выделить следующие стадии формирования антропогенных изменений геосистем: а) резкое нарушение их исходного состояния; б) «ускоренная» направленная трансформация, когда наблюдаются наиболее высокие скорости

изменений; в) замедление скорости изменений, когда трансформация продолжается, но темпы ее падают и постепенно приближаются к естественным; г) установление нового устойчивого состояния [1. С. 39].

Рассматривая вопрос об интенсивности антропогенного воздействия на экосистемы и ландшафты, целесообразно измерять его не в параметрах самих воздействий, а в параметрах состояния биологических сообществ. Такие параметры можно эффективно применять на локальном уровне при детальных наземных обследованиях [3. С. 83].

Воздействия могут быть различной природы и интенсивности, различается также реакция геосистем различных типов на одно и то же воздействие. Тем не менее природа реакций на различные воздействия в основном одна и та же: изменение численности популяций, состава видов, их продуктивности и физиологического состояния. В процессе антропогенной трансформации в составе биоты постепенно возрастает обилие экологически эвритопных видов, которые вытесняют стенотопные, широко распространённые виды начинают преобладать над узкоареальными, формы с кратким жизненным циклом - над многолетними и др. Это позволяет ограничиться небольшим набором параметров, которые могли бы индицировать экологическое состояние геосистемы вне зависимости от физической природы воздействий [3. С. 83-84; 4. С. 150].

Решение задач индикации антропогенного воздействия на природные геосистемы и мониторинга их экологического состояния может осуществляться в рамках информационно-аналитической системы для оценки состояния и трансформации лесных геосистем. Информационно-аналитическая система состоит из нескольких блоков: 1. Природные геосистемы (совокупность природных геосистем региона, для которого разрабатывается система, определение их устойчивости к антропогенному воздействию, выделение геосистем топологического уровня, отличающихся высокой чувствительностью к воздействию («сенсорных») и определение их доли в ландшафте, определение продуктивности, особенностей распространения и других характеристик). 2. Антропогенные факторы (инвентаризация источников антропогенного воздействия, их особенности и территориальное сочетание, перечень и особенности антропогенных воздействий, выделение ведущих факторов, определяющих современное состояние ландшафтов и сопутствующих,

территориальная распространенность зон влияния каждого фактора и т.д.). 3. Система индикаторов (совокупность характеристик компонентов геосистемы, наиболее четко реагирующих на антропогенное воздействие и являющихся, таким образом, показателями уровня трансформации геосистем; эти характеристики могут выполнять индикационную роль как самостоятельно, так и в сочетании с другими показателями).

К настоящему времени разработано большое число методик для мониторинга и оценки состояния природных лесных геосистем. Из всего многообразия показателей, предлагаемых в качестве диагностических показателей воздействия и состояния геосистем топологического уровня, в результате исследований были отобраны и

Диагностические показатели

включены и систему индикаторов те, которые являются легко определяемыми и показали достаточную чуткую реакцию на различные виды антропогенного воздействия в условиях района исследований - лесных геосистем юго-востока Белоруссии (Днепровско-Сожский ландшафтный район Полесской ландшафтной провинции). Эти показатели позволяют определить состояние как отдельных ярусов геосистемы, так и её в целом. Диагностические показатели представлены следующими группами: 1) показатели состояния древесного яруса; 2) показатели состояния подроста и подлеска; 3) показатели состояния напочвенного покрова; 4) показатели нарушенности растительного компонента в целом; 5) показатели состояния почвенного покрова (табл. 1).

Т а б л и ц а 1

состояния лесной геосистемы

Диагностируемый элемент геосистемы Показатель

Древесный ярус Сухостой, % Поврежденность, баллы

Подрост и подлесок Плотность подроста, шт./га Видовое разнообразие подроста и подлеска Сухостой, %

Напочвенный покров Общее проективное покрытие мхов, % Общее проективное покрытие злаков, % Выбитость, % Изменение видового состава относительно фонового

Растительный компонент в целом Степень синантропизации, % Степень адвентизации, % Степень терофитизации, % Фитосоциологический спектр Биологический спектр жизненных форм

Почвенный покров Уменьшение мощность почвенного профиля (А+В), % от исходного Площадь выхода на поверхность почвообразующей породы (С), % Перекрытость почв техногенными наносами (субстратами), % Пораженность водно-эрозионными процессами (удельная площадь водно-эрозионных форм рельефа), % Уменьшение запасов (содержания) гумуса (шкала гумусированности Ландольта), % от исходного Изменение рН (шкала Яе) относительно фоновых величин Изменения содержания солей (шкала Тг), % от исходного Изменения содержания азота (шкала №), % от исходного Изменение влажности почв (шкала Ш), % от исходного

Древесный ярус является наименее подверженным антропогенным изменениям растительным компонентом. Изменения в нём свидетельствуют о значительной трансформации лесной геосистемы. Ухудшение состояния древостоя определяется вычислением показателя повреждён-ности древостоя, принимающего значения для отдельного дерева от 1 (здоровые особи) до 5 (сухостой). Механические, химические, биологические и другие повреждения приводят к снижению плотности древостоя, сомкнутости крон, бонитета. Эти показатели просты в определении и удобны для использования в качестве индикаторов антропогенной трансформации лесных геосистем.

Характеристики подроста свидетельствуют об успешности лесовозобновительных процессов под пологом. Изменение его плотности свидетельствует о трансформации онтогенетического спектра лесообразующих пород, имеющего важное индикационное значение [5. С. 23]. Показателем трансформации биотического и абиотического компонента геосистем является также изменение плотности подлеска.

Напочвенный покров обладает высокой чувствительностью к изменению экологических условий, что отражается в изменении его проективного покрытия

(удельной площади). Показателем, применимым для индикации механических нарушений, может служить выбитость (вытоптанность) напочвенного покрова (в % от площади фитоценоза), находящаяся в прямой зависимости от уровня данного типа нагрузок.

Из различных групп видов напочвенного покрова наибольшее значение для индикации антропогенных нагрузок являются группы мхов и злаковых. Мхи обладают значительной чувствительностью к различным видам воздействий - химическим, механическим, пирогенным и др. [6. С. 125; 7. С. 129 и др.]. Поэтому даже умеренное антропогенное воздействие на геосистемы приводит к резкому сокращению проективного покрытия мхов. Злаки, напротив, благодаря упругости наземных побегов и хорошо развитым корневым системам, обладают хорошей устойчивостью к нагрузкам и длительное время не снижают своего обилия. Общую тенденцию постепенной замены одних видов на другие отражает показатель сходства видового состава напочвенного покрова нарушенных геосистем с фоновой.

Нарушенность ландшафта проявляется в смене природных зональных растительных сообществ синантроп-ными сообществами. Синантропная растительность пред-

ставлена адвентивной флорой и видами аборигенной флоры, которые адаптированы к различным нарушениям. При отсутствии влияния человека роль этих видов незначительна, но при возрастании антропогенного стресса они резко усиливаются. Существуют различные методы оценки синантропизации: на уровне отдельных сообществ и обобщенных синтаксонов, с учетом обилия видов, всей флоры синтаксонов или только его ценообразующего ядра, исключая редкие виды (с постоянством ниже 20%). Адвен-тизация может оцениваться по доли иноземных видов. При этом уровень адвентизации обычно значительно ниже уровня синантропизации [8. С. 17; 9. С. 174].

Для оценки уровня нарушений можно применять шкалу гемеробности (окультуренности ландшафта), где используются следующие критерии: доля терофитов; доля неофитов; утрата видов естественной флоры; общие признаки изменения почвы и экосистемы [10. С. 298]. Оценка степени антропогенной преобразованности ландшафта базируется на эталоне для сравнения, в качестве которого выступает потенциальная естественная растительность. Потенциальная естественная растительность реконструируется путем сравнения местообитаний и анализа еще сохранившихся естественных экосистем, а также синантропных растительных сообществ [10. С. 299].

Такие показатели, как синантропизация, адвентизация, терофитизация являются комплексными и достаточно универсальными, могут использоваться для оценки на-рушенности геосистем любых уровней иерархии, в любых условиях, независимо от форм антропогенного воздействия. Расчет этих показателей выполняется на основе фитосоциологического спектра и спектра жизненных форм растительности. Фитосоциологический спектр - это соотношение числа видов, различных классов растительности эколого-флористической системы Браун-Бланке (синтаксоны приведены по [11]). Уровень синантропиза-ции определяется как суммарная доля видов синантроп-ных классов в % от общего числа видов. Спектр жизненных форм - соотношение числа видов, относящихся к различным жизненным формам (по Раункиеру) - фанеро -фитов, терофитов, гемитерофитов, хамефитов, гемикриптофитов, геофитов, удельный вес которых коррелирует с уровнем антропогенной нагрузки [12. С. 83; 13. С. 412]. Терофитизация определяется как доля терофитов в % от общего числа видов, адвентизация - как доля адвентивных видов (неофитов) в % от общего числа видов.

Главным показателем нарушенности почв является наличие или отсутствие той или иной части почвенного профиля. Уменьшение мощности верхних горизонтов почв влечет за собой уменьшение мощности гумусового горизонта, содержания и запасов гумуса, запасов питательных элементов, изменение физических свойств, уменьшение плодородия почв. В зависимости от степени нарушенности все изучаемые почвы могут быть разделены на четыре класса: ненарушенные почвы (профиль близок к эталонному для данного типа почв); слабонарушенные (частично разрушен горизонт А - до 50% от эталонной величины); средненарушенные (разрушено более 50% горизонта А); сильнонарушенные почвы (полностью уничтожен горизонт А и частично или полностью горизонт В).

Для оценки изменения свойств почв можно использовать фитоиндикационные шкалы, позволяющие определять кислотность почв, азотообеспеченность и со-

держание солей, содержание гумуса, влажность и некоторые другие характеристики. Наиболее известными и апробированными фитоиндикационными шкалами являются шкалы Х. Элленберга, Д.Н. Цыганова, Э. Лан-дольта. Фитоиндикационные шкалы широко применяются в ландшафтно-экологических и геоэкологических исследованиях [14. С. 3].

Важными показателями нарушений почвенного покрова той или иной территории являются такие характеристики, как площадь выхода на земную поверхность коренных (материнских) пород, перекрытость почв техногенными субстратами (мощность техногенных наносов, их состав, удельная площадь перекрытия), пораженность водно-эрозионными и дефляционными процессами (удельная площадь водноэрозионных и дефляционных форм рельефа).

На основе исследований, выполненных в 19992006 гг. [12, 15, 16-18 и др.], были определены диапазоны значений указанных показателей в геосистемах, характеризующихся различным уровнем антропогенной трансформации. Анализ полученных материалов позволил составить шкалы оценки состояния лесных геосистем и их компонентов (табл. 2, 3). Объектами оценивания при этом служили леса, произрастающие в Днепровско-Сожском ландшафтном районе Полесской ландшафтной провинции.

Классификация уровней антропогенной нарушенно-сти ландшафтов включает в себя четыре степени антропогенного нарушения, выделенные по показателям деградации компонентов геосистем. Были выделены следующие классы экологического состояния природных лесных геосистем (по Б.И. Кочурову [19. С. 19-21], Ю.П. Гальченко [20. С. 32-36] с изменениями):

I - нормальное состояние. Фоновые (ненарушенные и условно ненарушенные) геосистемы. Характеризуются отсутствием антропогенных изменений в ландшафтах. Возможно угнетённое состояние отдельных видов. Способность к самовосстановлению полностью сохранена, оно происходит в течение короткого периода времени.

II - напряжённое состояние. Отмечаются негативные изменения в отдельных компонентах ландшафтов, ухудшение средо- и ресурсовоспроизводящих свойств. Изменение соотношения и роли доминирующих видов в экосистемах, определённые нарушения процесса возобновления древесного яруса. Восстановление ландшафтов происходит в результате процесса саморегуляции или проведения несложных природоохранных мероприятий.

III - кризисное состояние. Изменение качественного состава лесной геосистемы. Антропогенные нагрузки, как правило, превышают установленные нормативные величины и экологические требования. Возможности самовосстановления неопределённы.

IV - катастрофическое состояние. Глубокая трансформация абиотических и биотических компонентов геосистемы, состав и функционирование которых полностью определяются антропогенным воздействием, интенсивное развитие негативных геологических процессов. Самовосстановление и саморегуляция невозможны.

Выявленные диапазоны значений диагностических признаков, соответствующие выделенным уровням (классам) экологического состояния природных комплексов, позволяют проводить анализ уровня трансформации лесных геосистем.

Шкала оценки состояния древесного яруса, подроста, подлеска, напочвенного покрова лесных геосистем

Показатель Классы экологического состояния

I III II IV

Древесный ярус

Сухостой, % До 5 5-10 10-50 Более 50

Повреждённости, баллы 1,0-1,3 1,3-1,8 1,8-3,0 Более 3,0

Подрост и подлесок

Плотность подроста, шт./га Более 3000 1000-3000 300-1000 До 300

Разнообразие (по Шеннону) Более 1,50 1,20-1,50 0,60-1,20 До 0,60

Сухостой, % До 5 5-10 10-30 Более 30

Напочвенный покров

Общее покрытие мхов, % Более 50 20-50 5-20 До 5

Общее покрытие злаков, % 0-5 5-40 Более 40 До 30

Выбитость, % 0 0-10 10-40 Более 40

Сходство видового состава - Более 60 30-60 До 30

Т а б л и ц а 3

Шкала оценки нарушенности растительного компонента

Показатель I II III IV

Спектр жизненных форм, % от числа всех видов

Терофиты и гемитерофиты До 5 5-15 15-25 Более 25

Геофиты Более 15 5-15 5-15 Менее 5

Хамефиты 5-15 5-10 1-5 0

Гемикриптофиты До 30 30-40 Более 40 Менее 40

Фанерофиты Более 35 30-35 25-30 Менее 25

Фитосоциологический спектр, % от числа всех видов

Лесные классы Vaccinio-Piceetea и Querco-Fagetea Более 60 30-60 15-30 До 15

Классы Molinio-Arrhenatheretea и Epilobietea angustifolii До 5 5-20 Более 20 До 20

Класс Plantaginetea majori s 0 0-5 0-10 Более 10

Рудеральные классы Stellarietea media и др. 0-5 5-10 10-25 Более 25

Общие показатели, % от числа всех видов

Синантропизация 0-5 5-20 20-50 Более 50

Адвентизация 0 0-5 5-15 Более 15

Терофитизация До 5 5-15 15-25 Более 25

Соотнесение значений характеристик исследуемой геосистемы с их значениями в составленных шкалах позволяет определить негативные изменения в системе, уровень ее деградации, а также уровень допустимой нагрузки, не при-

водящей к потере геосистемой способности к саморегуляции и самовосстановлению. Результаты исследования могут использоваться для картографирования антропогенной нарушенности лесных территорий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Емельянов А.Г. Ландшафтно-экологические основы природопользования. Тверь, 1992. 92 с.

2. Кожаринов А.В. Основы изучения антропогенной трансформации геосистем // Рациональное природопользование в районах избыточного

увлажнения: Тез. докл. всесоюз. конф. Калининград: ЦНТИ, 1989. С. 20-22.

3. Васильев С.В. Воздействие нефтегазодобывающей промышленности на лесные и болотные экосистемы. Новосибирск: Наука, 1998. 136 с.

4. Исаков Ю.А., Казанская Н.С. Закономерности антропогенной трансформации экосистем и экологический мониторинг // Теоретические ос-

новы и опыт экологического мониторинга. М.: Наука, 1983. С. 146-155.

5. ЗлобинЮ.А. Ценопопуляционная диагностика экотопа // Экология. 1980. № 2. С. 22-30.

6. Динамика хвойных лесов Подмосковья / Л.П. Рысин, А.В. Абатуров, Л.И. Савельева и др. М.: Наука, 2000. 221 с.

7. Черненькова Т.В. Реакция лесной растительности на промышленное загрязнение. М.: Наука, 2002. 191 с.

8. Абрамова Л.М., Миркин Б.М. Эволюция растительности на стыке тысячелетий // Теоретические проблемы экологии и эволюции (3-и Люби-

щевские чтения). Тольятти: ИЭВБ РАН, 2000. С. 15-23.

9. Абрамова Л.М., Михайлова В.А. Оценка уровня синантропизации растительности оврагов Башкирского Предуралья // Экология. 2003. N° 3.

С.171-175.

10. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберта. М.: Мир, 1988. 350 с.

11. Matuszkiewicz W. Przewodnik do oznaczania zbiorowisk roslinnych Polski. Warszawa: PWN, 2001. 321 s.

12. Гусев А.П., Соколов А.С. Индикаторы антропогенной трансформации широколиственных лесов (на примере Днепровско-Сожского ландшафтного района) // Природные ресурсы. 2006. № 2. С. 78-84.

13. Kim Y.-M., Zerbe S., KowarikI. Human impact on flora and habitats in Korean rural settlements // Preslia. 2002. Vol. 74. Р. 407-419.

14. ПрокопьевЕ.П. Использование методе стандартных экологических шкал в ландшафтной экологии: Методические указания. Томск, 1993. 29 с.

15. Гусев А.П. Лесные экосистемы в условиях антропогенного воздействия (ландшафтно-экологические исследования). Гомель, 2001. 64 с.

16. Гусев А.П., Соколов А.С. Рекреационная трансформация дубрав Белорусского Полесья и ее индикаторы // Сибирский экологический журнал. 2007. № 2. С. 297-304.

17. СоколовА.С., ГусевА.П. Особенности рекреационной трансформации лесных геосистем в условиях Белорусского Полесья // Весшк Брэст. ун-та. Сер. прыродазн. навук. 2005. № 3. С. 119-124.

18. Соколов А. С., Гусев А. П. Индикаторы мелиоративной трансформации лесных ландшафтов восточной части Белорусского Полесья // Экология-2007: Матер. докл. Междунар. молодеж. конф. Архангельск, 2007. С. 217-218.

19. КочуровБ.И. География экологических ситуаций (экодиагностика территорий). М.: ИГ РАН, 1997. 156 с.

20. Гальченко Ю.П. Методические подходы к оценке техногенного воздействия через изменение компонентов природы // Экологические системы и приборы. 2003. № 1. С. 29-37.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 10 марта 2008 г.