Интегральная оценка уровня трансформации лесной экосистемы в условиях мегаполиса

УДК 630*181.351

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ЛЕСНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ МЕГАПОЛИСА

INTEGRAL ASSESSMENT OF XRANSFORMATION LEVEL FOR THE FOREST ECOSYSTEMS IN A MEGALOPOLIS

Беднова О.В., Сован А.В.

Для интегральной оценки трансформации лесных экосистем в урбанизированных условиях использован метод функций желательности. Продемонстрирован пример оценки на основе данных многолетнего мониторинга лесной экосистемы в условиях Москвы.

Method of desirability functions has been applied to assess the transformation level of the forest ecosystems in urban environment. An example of assessment based on long-term monitoring one of the forest ecosystems in Moscow is given.

Ключевые слова: урбанизированные территории, лесные экосистемы, трансформация, интегральная оценка

Keywords: urban areas, forest ecosystems, transformation, integral assessment

В ранее опубликованной работе [1], представленной на конференции «ЛЕС-2012», была обоснована возможность получения многокритериальной оценки состояния экосистем городских лесов на основе метода функции желательности (МФЖ) Харрингтона, приведены первые результаты апробации разработанных алгоритмов. Последующая адаптация и корректировка методики позволила выстроить систему нормирования и индикации состояния лесных экосистем в урбанизированных условиях [2,3,4]. В данной публикации целесообразно лишь подчеркнуть, что МФЖ позволяет отображать значения параметров состояния природной среды с позиций их отхождения от нормы на основе стандартной оценочной шкалы и оптимизировать ряд частных показателей состояния экосистемы в один обобщённый критерий. В качестве индикаторов состояния экосистемы при этом используются значения индекса состояния древостоя, индекса структурного разнообразия (интегральный показатель сохранности лесного биоразообразия), эквивалентный уровень звука (даёт представления об акустическом загрязнении), концентрация диоксида азота в воздухе.

В таблицах 1 и 2 приведены ключевые сведения для использования МФЖ в системе оценки состояния лесных экосистем. На основе экспертных значений экологических индикаторов, перекодированных на основе базовых значений функции желательности (таблица 1) получены уравнения, пользуясь которыми можно нормировать натуральные значения экологических индикаторов:

- для индекса состояния древостоя

dI = exp[-exp(2,063 - 0,395y1)] (1);

- для значений индекса структурного разнообразия

dH = exp[-exp(7,639 - 4,940 y2)](2);

- для эквивалентного уровня звука:

dL = exp[-exp(-3,476+0,049 у3)] (3); - для концентрации диоксида азота в воздухе:

dС = exp[-exp (-2,108 +30,400 У4)](4) Построение обобщённого отклика задается как среднее геометрическое

частных желательностей di.: Б=

Таблица 1 - Базовые значения функций желательности и соответствующие значения натуральных критериев (экологических индикаторов)_

Экологические индикаторы Базовые значения Экспертные значения

(критерии оптимизации) функции желательности индикаторов

Индекс состояния древостоя, I 0,8 (хорошо) 9,0

0,2 (плохо) 4,0

Индекс структурного разнообразия, H 0,8 (хорошо) 1,85

0,2 (плохо) 1,45

Эквивалентный уровень звука, дбА, Ь 0,8 (хорошо) 40

0,2 (плохо) 80

Концентрация N02 в атмосферном 0,8 (хорошо) 0,02

воздухе, мг/м, С 0,2 (плохо) 0,085

Таблица 2 - Интервальные оценки значений экологических индикаторов

Количественные отметки Индекс Индекс Эквивалентный Концентрация

на шкале желательности и структурного состояния уровень звука, NO2

желательность значения отклика разнообразия Hstr древостоя Id L, дбА C, мг/м3

От 0,80 до 1.0: очень хо- От 1,85 и бо- 9,0-10,0 40 и менее 0,02 и менее

рошо (very good= excellent) лее

От 0,63 до 0,80: От 1,70 до 1,85 7,16-9,0 40-55 0,02-0,044-

хорошо

От 0,37 до 0,63: От 1,55 до 1,70 5,22-7,16 55-70 0,044-0,069

посредственно

От 0,20 до 0,37: плохо От 1,45 до 1,55 4,0- 5,22 70-80 0,069-0,085

От 0 до 0,20: очень плохо До 1,45 0-4,0 80 и более 0,085 и более

На основе данных, полученных с помощью репрезентативно обоснованной сети наблюдений (пункты постоянных наблюдений, временные пробные площади, пункты контроля качества воздуха, точки контроля акустического загрязнения) можно получить картину состояния отдельных компонентов природной среды и экосистемы в целом, нормированную на основе МФЖ.

Для городских лесов, имеющих статус особо охраняемых природных территорий, прежде всего, значима информация об их природоохранной ценности, а, следовательно, об уровне сохранности лесной среды и лесного биоразнообразия. В рассматриваемой системе экологической оценки информация о состоянии биотической составляющей обобщается с помощью двух интегральных индикаторов - индекс состояния древостоя и индекс структурного разнообразия лесного биоценоза (косвенно отражает степень сохранно-

сти лесного биоразнообразия через структуру местообитаний) экосистемы. Сведения о методике вычисления этих биотических индексов можно найти в работе [2] и в соответствующих публикациях из списка библиографических источников к ней. Значения биотических индексов, переведённые в частные функции желательности, отражают соответственно степень жизнеспособности древостоя и уровень сохранности лесного видового разнообразия, а значение обобщённой функции желательности отражает степень сохранности лесной среды в целом. Это положение можно формализовать следующим образом:

В= ^йи (5),

где d[И dн - значения индексов состояния древостоя и структурного разнообразия, переведённые в частные функции желательности в соответствии с уравнениями (1) и (2).

На рисунке 1 на основе значений обобщённой функции желательности визуализированы результаты лесоэкологического мониторинга, проведённого в 2014 году в ельнике Кунцевской дачи - городском лесном массиве, расположенным в западной части Москвы и входящем в структуру комплексного природного заказника «Долина реки Сетунь». Насаждение имеет смешанное происхождение: в начале 50-х гг. прошлого столетия по низко полнотным участкам смешанного леса были посажены лесные культуры ели и сосны. В настоящее время ельник Кунцевской дачи является крупнейшей фитоценоти-ческой группировкой со значительным участием в составе аборигенных хвойных пород наиболее близко расположенной к центру Москвы, что позволяет рассматривать этот лесной массив в качестве индикаторного сообщества для оценки состояния городской среды. Лесная экосистема находится в зоне интенсивного антропогенного воздействия как рекреационного, так и техногенного (граничит с одной из крупнейших московских автомагистралей -Можайское шоссе-Кутузовский проспект, по территории леса проходят подземные коммуникации) [5].

Как свидетельствуют результаты картографического анализа, на преобладающей части территории лесная среда сохраняется в зоне удовлетворительного состояния (см. таблицу 2). Зоны деградации лесной среды (значения В ниже 0,37) приурочены, главным образом, к местам расположения подземных коммуникаций и участков сильно пострадавших от рекреационного воздействия. Но вместе с тем, в границах лесного массива визуализируется несколько небольших ядер с хорошо сохранившейся лесной структурой (значения В от 0,63 и выше), что необходимо учесть при реализации планов по благоустройству территории.

Рисунок 1- Сохранность лесной среды в границах лесного массива «Ельник Кунцевской дачи»

Другой аспект применения МФЖ - динамические исследования в лесных экосистемах. Система ранжирования значений экологических индикаторов при этом позволяет идентифицировать направленность происходящих во времени изменений в лесном сообществе более определённым образом в сравнении с использованием натуральных значений - перевод в шкалу МФЖ отражает дискриминантные свойства показателей. В таблице 3 приведены значения экологических индексов, вычисленных по результатам многолетнего мониторинга на пяти пунктах постоянных наблюдений (ППН) сети лесо-экологического мониторинга, заложенных ельнике Кунцевской дачи в 2005 году. Значения индексов ¡а и И,1г перекодированы по шкале функции желательности (соответственно - ^ и ёИ), определены значения частных и обобщённых функций желательности.

Коротко прокомментируем представленные в таблице 3 результаты мониторинга. Динамика значений индекса состояния древостоя в целом свидетельствует о тенденции к снижении жизнеспособности древесного полога. Отдельные случаи незначительного повышения значений индекса (см. ППН-208 и ППН-218 в 2008 году) связаны с выборкой накопившегося сухостоя. В целом в лесном массиве прогрессирует процесс осветления леса: выпадают берёзы, подошедшие к возрастному рубежу, имеют место периодические единичные вывалы еловых деревьев с признаками корневой губки (куртинное

усыхание ели пока что приурочено к местам расположения подземных коммуникаций, находящихся за пределами ППН).

Таблица-3 - Динамика состояния лесной экосистемы ельника Кунцев-

ской дачи

Год Состав древостоя Состояние древостоя Id \/d¡ Структурное разнообразие Hstr /dH Обобщённый критерий качества лесной среды D=l di dH

ППН [-208

2005 6Е3Б1Лп + С, Ос 7,82/ 0,699 хор.* 1,79/ 0,741 хор. 0,720 хор.

2008 7Е3Б+С, Лп, Ос 8,62/ 0,770 хор. 1,69/ 0,611 уд. 0,686 хор.

2012 8Е2Б+ Лп,С,Ос 7,63/ 0,680 хор. 1,68/ 0,596 уд. 0,637 хор.

2014 7Е3Б+С, Лп 7,27/ 0,641 хор. 1,69/ 0,611 уд. 0,626 уд.

ППН [-213

2005 5Е5Б+ С,Лп,Кло 9,01/0,80 хор.~ о.хор. 1,66/ 0,565 уд. 0,672 хор.

2008 5Е5Б+Лп, Кло 8,90/ 0,791 хор. 1,57/ 0,410 уд. 0,569 уд.

2012 5Е5Б+Лп, Кло 7,71/ 0,688 хор. 1,58/ 0,428 уд. 0,543 уд.

2014 6Б4Е+ Лп,Кло 6,64/0,565 уд. 1,54/0,356 пл. 0,448 уд.

ППН [-214

2005 4Б3С2Лп1Е 8,22/ 0,736 хор. 1,68/ 0,596 уд. 0,662 хор.

2008 4Б3С2Лп1Е 7,84/ 0,701 хор. 1,76/ 0,706 хор. 0,703 хор.

2012 4С4Б2Е+Лп 6,96/ 0,604 уд. 1,71/ 0,64 хор 0,621 уд.

2014 4С3Б2Лп1Е 6,75/ 0,579 уд. 1,75/ 0,693 хор 0,633 хор.

ППН [-215

2005 4Б3Е2С1Лп 8,17/ 0,732 хор. 1,43/ 0,169 о. пл. 0,352 пл.

2008 4Е3Б2С1Лп 7,95/ 0,711 хор. 1,61/ 0,481 уд. 0,585 уд.

2012 5Е2С2Б1Лп 7,43/ 0,662 хор. 1,61/ 0.481 уд. 0,564 уд.

2014 5Е2С2Б1Лп 6,93/ 0,607 уд. 1,71/ 0,640 хор 0,620 уд.

ППН [-216

2005 7Б2Лп1Е+С 7,10/ 0,621 уд. 1,72/ 0,654 хор. 0,637 хор.

2008 7Б2Лп1Е+С 7,70/ 0,687 хор. 1,76/ 0,706 хор. 0, 696 хор.

2012 7Б2Лп1Е+С 7,08/ 0,619 уд. 1,69/ 0,611 уд. 0,615 уд.

2014 8Б1Е1Лп 6,91/ 0,598 уд. 1,67/ 0,581 уд. 0,589 уд.

*Примечание: принадлежность значений индексов к интервалам оценки по шкале желательности (см. таблицу 2) - о.хор.(очень хорошо), хор. (хорошо), уд. (удовлетворительно), пл. (плохо), о.пл.(очень плохо).

Естественное возобновление хвойных пород в насаждении отсутствует, неравномерный подрост представлен клёном остролистным (Acer platanoides) и липой (Tilia cordata), редко встречаются вяз гладкий (Ulmus laevis), ясень обыкновенный (Fraxinus excelsior). По осветлённым участкам экологические ниши захватывают интродуценты - клён ясенелистный (Acer negundo) и ясень пенсильванский (Fraxinus pensilvanica), участие их в подросте растёт, и этот процесс находит своё отражение в снижении значений индекса структурного разнообразия. Лепту в отрицательную динамику значений этого показателя также способны вносить уменьшение доли участия лесных видов в травяном покрове, утрата таких важных лесных местообитаний как валёж

(убирается весь валёж, включая безопасный в лесопатологическом отношении отпад лиственных деревьев, заселённый грибами-сапротрофами и члени-стоногими-сапрофагами) и старовозрастные деревья, снижение густоты подлеска (зачастую повреждается при уборке сухостойных деревьев), корчёвка или измельчение в щепу пней крупных деревьев. Весь этот комплекс негативных изменений в структурном разнообразии лесного биогеоценоза имеет место, например, в участке леса, характеризуемым ППН-213: значение индекса структурного разнообразия за период наблюдений снизился с 1,66 (диапазон значений класса «удовлетворительно», см. таблицу 2) до 1,54 («плохо»). Но следует отметить, что за счёт сохранения жизнеспособности древостоя (/¿=6,64 облик лесного биогеоценоза ещё сохраняется - значение обобщённого критерия качества (0,448) находится в интервале «удовлетворительно».

Рекреационный режим городского леса не стабилен во времени: одни участки становятся более посещаемыми, другие - менее популярными. Это происходит по разным причинам, в том числе и в связи с изменениями в инфраструктуре прилегающей городской территории. Например, появление новой автобусной остановки заметно отвлекло посетителей от части краевой зоны насаждения, состояние которой характеризует ППН-215. Результат - разрастание подлеска, появление подроста из числа аборигенных видов, постепенное усиление участия лесных видов в составе травяно-кустарничкового яруса. Значение индекса структурного разнообразия увеличилось с 1,43 («очень плохо») до 1,71 («удовлетворительно») по состоянию на 2014 год, т.е. лесная среда восстанавливается.

Таким образом, разработанный метод оценки состояния лесных экосистем в урбанизированных условиях даёт возможность получить картину трансформации лесной среды и визуализировать её с помощью ГИС-технологий, оценить направленность экологических процессов. Такая информация должна служить основой для выработки оптимальной программы хозяйственных и природоохранных мероприятий в городском лесу, и особенно, если лес имеет статус особо охраняемой природной территории.

Список использованных источников

1. Беднова О.В. К алгоритму оптимизации многокритериальной оценки состояния лесных экосистем на урбанизированных территориях [Текст]/ О.В. Беднова, В.А. Кузнецов // Актуальные проблемы лесного комплекса/ Под общей редакцией Е.А.Памфилова. Сборник научных трудов. Выпуск 31. - Брянск: БГИТА, 2012. - С.99-104.

2. Беднова О.В. Метод индикации и оценки рекреагенных изменений в лесных биогеоценозах [Текст]/ О.В. Беднова// Научно-информ. журнал «Лесной вестник».- М.: МГУЛ, 2013, N 7 (99).- С. 77-88.

3. Кузнецов В.А. Многокритериальная оценка состояния лесных экосистем городских ООПТ по результатам комплексного экологического мониторинга на основе метода функций желательности [Текст]/ В.А. Кузнецов, О.В. Беднова, Ю.Ю. Андрюшин // Успехи в химии и химической технологии.- М.: РХТУ, 2014, Т. XXVIII, №1.- С. 51-54.

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

5. Кузнецов В.А. К характеристике средостабилизирующих свойств лесного массива в мегаполисе [Текст]/ В.А. Кузнецов, О.В. Беднова, Т.Е. Бабий// Город, лес, отдых. Материалы научной конференции.- М.: Товарищество научных изданий КМК, 2009.- С. 41-43.