Пространственная структура лесных экосистем урбанизированных территорий как показатель их устойчивости

Пространственная структура лесных экосистем урбанизированных территорий как показатель их устойчивости*

С.А. Шавнин, д.б.н., профессор, В.А. Галако, к.с.-х.н., В.Э. Власенко, к.б.н., Ботанический сад УрО РАН

Обоснование выделения зон с различной экологической ситуацией проводится обычно на основании различного рода определяющих

факторов, среди которых немаловажную роль играют показатели динамики лесной растительности [1]. Данные показатели характеризуют нарушение лесной растительности в результате изменения экологической обстановки и антропогенного воздействия.

* Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума РАН (Проект №09-П-4-1039) и Программы интеграционных проектов УрО РАН (Проект №09-И-4-2002).

Критерии оценки состояния и динамики лесов различаются в зависимости от структурнофункциональной организации лесных биогеоценозов, их таксационной и возрастной характеристики [2]. Кроме того, в результате техногенного загрязнения и рекреационной нагрузки лесных экосистем нарушается их устойчивость и создаются условия, при которых невозможно многоцелевое использование лесов. Важную роль играет при этом изучение функциональной значимости факторов внешней и внутренней среды на разных стадиях сукцессий лесной растительности. Однако в настоящее время отсутствуют работы по определению доли факторов загрязнения и рекреационных нагрузок на лесные экосистемы в их общем влиянии. Решение данной проблемы позволит разработать конкретные способы управления устойчивостью лесных насаждений урбанизированных территорий крупных промышленных городов. Важным показателем при изучении устойчивости и моделировании динамики лесных насаждений служит их пространственная структура, что вносит значительный вклад в исследование биологически обоснованной теории развития лесных экосистем [3].

Под структурой понимается совокупность пространственно-временных соотношений между элементами объекта, совокупность устойчивых связей объекта. Пространственная структура фитоценоза (ПСФ) определяется как совокупность данных о размещении N растений в определённой области W плоскости в виде схемы их расположения, задаваемой координатами

(х1, у1), и векторов {21}, где г1 — (гп,., г1к) набор

значений характеристик отдельного растения, используемого в конкретной модели.

Структура представляется как динамический показатель, отражающий организацию сообщества в пространстве и времени, его устойчивость и норму реакции на внешние воздействия. Модель устойчива, если достаточно малые изменения в её структуре вызывают такое поведение, которое в некотором смысле качественно аналогично поведению исходной модели [4].

В связи с вышеизложенным целью данной работы послужила оценка экологического состояния лесных экосистем, ослабленных рекреационными нагрузками и промышленными эмиссиями, при условии разделения данных факторов на основе лесоводственно-таксационного анализа, в частности, при исследовании пространственной структуры лесных насаждений городской зоны г. Екатеринбурга.

В качестве объектов исследований были выбраны лесные экосистемы в зонах повышенной рекреации и промышленных загрязнений, для которых установлены методы количественной и качественной оценки жизнеустойчивости. Для

оценки состояния спектра абиотических и биотических компонентов лесных экосистем урбанизированной территории на примере г. Екатеринбурга заложено 12 постоянных пробных площадей (ППП) по четырём альтернативным вариантам развития. Пробные площади №1—3 представляют насаждения Юго-Западного лесопарка г. Екатеринбурга с полным набором абиотических и антропогенных факторов (загрязнение, рекреационная нагрузка). На территории Ботанического сада УрО РАН насаждения ППП №4—6 отличаются отсутствием рекреационной нагрузки, но наличием атмосферного загрязнения. ППП №10—12, заложенные в районе оз. Чусовского, характеризуются полным набором рекреационной нагрузки и отсутствием признаков техногенного загрязнения. В качестве контроля (фона) были выбраны лесные участки с отсутствием рекреационной нагрузки и загрязнения (ППП №7—9). Выбор участков для закладки пробных площадей предусматривал их сопоставимость по основным таксационным и типологическим показателям лесных сообществ, находящихся под влиянием различного уровня техногенного загрязнения и рекреационной нагрузки.

Основной метод исследования — закладка постоянных пробных площадей (ППП) с последующим проведением на них длительных или разовых наблюдений с целью получения разносторонней и достоверной информации о состоянии лесных сообществ и их динамике. Закладка ППП и лесотаксационные исследования проводились по стандартным методикам. В работе использованы экспериментальные данные, представляющие собой материалы обмеров таксационных характеристик деревьев на закартированных ППП. У всех деревьев измерялись основные морфологические параметры: диаметры стволов на высоте 1,3 м в двух направлениях, высоты, проекции крон в двух направлениях, длина кроны деревьев, расстояние и направление между деревьями. На основе полученных экспериментальных данных вычислены морфометрические показатели древостоев на ППП. Для изучения пространственной структуры проведены расчёты координатных точек всех деревьев и построены схемы их расположения на пробных площадях. Детальное изучение пространственной структуры сосновых насаждений осуществлялось в пределах сукцессионного ряда с набором экологических условий, характерных для разнотравных сосняков. Состав древостоя представлен на 90—95% сосной обыкновенной.

Под биологической устойчивостью насаждения понимается способность противостоять неблагоприятным условиям среды при наименьшем отпаде деревьев, сохраняющих максимальную долговечность и длительность

роста [5, 6]. К устойчивым относятся насаждения при наличии у них лесобиологических свойств противостоять неблагоприятным условиям роста и развития, при которых исключается возможность преждевременного распада и отмирания, смена одних пород другими. О снижении устойчивости свидетельствуют изменение структуры насаждения, расположение на площади скоплений сухостоя и валежа, изменение цвета хвои и листвы у значительной части деревьев, степень повреждённости деревьев насекомыми и грибами [7].

Первым этапом исследований пространственной структуры сосновых древостоев урбанизированных городских территорий, как показателя устойчивости, послужила оценка типа распределений, характеризующих размещение деревьев на ППП. Принято при характеристике пространственной структуры объектов выделять три типа распределений: регулярное (правильное), случайное и групповое. При регулярном распределении каждая точка имеет круговую область, не содержащую других точек; при случайном оно соответствует распределению Пуассона [8]. Анализируя пространственную структуру по материалам постоянных пробных площадей, следует отметить, что рекреационная нагрузка и техногенные эмиссии существенно влияют на пространственное размещение деревьев (ППП 1-3, 4-6, 10-12), где отмечается групповой тип распределения. На контрольных участках (ППП 7-9) представлен случайный тип распределения.

Морфометрические показатели кроны, в частности её средняя высота и средний диаметр, являются функцией условий местопроизрастания,

возраста и пространственного распределения деревьев в насаждении. В то же время протяжённость и диаметр кроны каждого дерева связаны с диаметром ствола. Отношение между средним диаметром стволов на пробных площадях и средним диаметром кроны деревьев коррелирует достаточно высоко (г = 0,750-0,900).

Более информативен при определении степени влияния нагрузок рекреационного и техногенного характера на насаждения фактор конкуренции крон, основанный на понятии перекрывающих друг друга круговых зон влияния. Радиус R зоны влияния любого дерева должен составлять

R = Нг/Ь, где Н - высота дерева (м);

г - средний радиус кроны (м); к - средняя протяжённость кроны (м).

При длительном воздействии рекреации и промышленных выбросов нарушается корреляция между высотой и диаметром насаждений. По данным наших исследований получена модель зависимости между высотами деревьев сосны и их диаметрами на высоте 1,3 м, выражаемая параболическими кривыми 3-го порядка. Кроме того, при характеристике морфоструктуры сосновых древостоев установлена корреляционная зависимость диаметров крон деревьев от диаметров стволов на высоте 1,3 м. На контрольном участке (ППП 9) данное соотношение более устойчиво и отличается повышенным коэффициентом корреляции взаимосвязи диаметров стволов и диаметров крон деревьев (г = 0,924+0,115). Абсолютные значения диаметров крон на данной площади имеют более высокие показатели по сравнению с другими ППП (рис. 1).

16

14

12

10

10

/

*  У/ / 4

4 с «^о а

1? Д

20

30

40

50

60

70

Дсг.

80

>4. Дкр.И Ж Дкр.-4 Дкр -9 Дкр.-12

Рис. 1 - Зависимость Д кроны деревьев сосны (м) от Д ствола на высоте 1,3 м (ППП 14-9-12): Дкроны - (1) = 26,3383-1,6842х+0,0427х~2-0,0003х~3;

Дкроны - (4) = -19,0825+1,5293х-0,0294х~2+0,0002х~3;

Дкроны - (9) = 1,4593+0,0258х+0,0077х~2-9,9553Е-5х~3;

Дкроны - (12) = 3,1464+0,3496х-0,01х~2+9,7429Е-5х~3

Сильное влияние на характер изучаемой взаимосвязи оказывают рекреационные нагрузки (ППП 12).

Не менее важной характеристикой пространственной структуры лесных экосистем служит распределение деревьев на изучаемой площади во взаимосвязи с их таксационной характеристикой. В связи с этим на основании проведённого картирования деревьев сосны на пробных площадях получены данные по анализу взаимосвязи расстояний между деревьями и их диаметрами на высоте 1,3 м, а также диаметрами

крон. Эта взаимосвязь выражается параболическими кривыми 2-го порядка. Наиболее тесная связь отмечается в контрольных насаждениях (г = 0,834+0,024), крайне низкая — при сильных рекреационных нагрузках: г = 0,087+0,004 (рис. 2).

Особенно ярко выражен эффект влияния рекреационной нагрузки на пространственную структуру сосновых древостоев урбанизированных территорий при исследовании взаимосвязи расстояния между деревьями и диаметрами крон (рис. 3). Данное соотношение хорошо отображается математически параболическими кривыми

10

9

8

7

г

ег"

° / /

и 4 А А « О.  ^ о 1 д 2

12 '"О" V < о .9

9 £

10

20

30

40 50

Дсг(1.3),см

60

70

80

Им

Рис. 2 - Зависимость расстояния между деревьями сосны (м) от диаметра ствола на высоте 1,3 м (см) (ППП 1-4-9-12) (см):

К м (1) = 0,8915+0,1203х-0,0006х~2;

К м (4) = 7,7463-0,153х+0,0022х~2;

К м (9) =1,3335+0Д035х-0,0007х~2;

К м (12) = 3,4116+0,0663х-0,0007х~2

16

14

12

10

8

6

4

2

0

1 1 1 1

4/

6 1 2

» 9 8 ^ ' А

8 10 Дкр м

12

14

16

ЧОч Н.м

Рис. 3 - Зависимость расстояния между деревьями сосны (м) от диаметра кроны стволов (м) (ППП-1-4-9-12): Км (1) = 6,2571-0,875х+0,0893х~2;

Км (4) = 10,1274-1,8х+0Д476х~2;

Км (9) = 3,869-0,5333х+0,0738х~2;

Км (12) = -3,0749+1,3912х-0,0565х~2

второго порядка. Коэффициент корреляции между диаметрами кроны и расстоянием между деревьями на ППП 12, где отмечается сильная рекреационная нагрузка, имеет наименьшее значение и составляет г = 0,355+0,056, тогда как на контрольных пробных площадях (ППП 7—9) значение этого показателя существенно повышается (г = 0,912+0,213), что свидетельствует о сильном влиянии рекреации на структуру биогеоценозов.

В результате исследований пространственной структуры сосновых древостоев урбанизированных территорий, как показателя устойчивости к рекреационным и техногенным нагрузкам в зависимости от особенностей структурнофункциональной организации лесных экосистем, установлено, что рекреационные нагрузки и техногенные эмиссии оказывают существенное влияние на пространственную структуру лесных насаждений, что проявляется в изменении типа их пространственных распределений и взаимосвязи между морфометрическими показателями.

Наиболее сильное влияние на устойчивость лесных фитоценозов, выражающееся в нарушении организационной структуры, оказывают рекреационные нагрузки.

Литература

1. Васильев С.В. Экологический риск воздействия на лесные и болотные экосистемы // Исследования экологогеографических проблем природопользования для обеспечения территориальной организации и устойчивости развития нефтегазовых регионов России: теория, методы и практика. Нижневартовск: НГПИ, ХМРО РАЕН, ИОА СО РАН, 2000. С, 170-174.

2. Мауринь А.М. Становление концепции биотемпорализма // Темпоральные аспекты моделирования и прогнозирования в экологии. Рига: РГУ, 1986. С. 3-30.

3. Бузыкин А.И., Гавриков B.JI. Анализ структуры древесных ценозов. Новосибирск: Наука, 1985. 94 с.

4. Гусаков С-.В., Фрадкин А.И. Моделирование на ЭВМ пространственной структуры лесных фитоценозов. Минск: Наука и техника, 1990. 112 с.

5. Левич А.П. Понятие устойчивости в биологии. Математические аспекты // Человек и биосфера / МГУ. 1976. №1. С. 138-173.

6. Матюк И.С. Устойчивость насаждений. М.: Лесн. пром-сть, 1983. 134 с.

7. Чиллингуорт Д. Структурная устойчивость математических моделей. Значение методов теории катастроф // Математическое моделирование. М.: Мир, 1979. С. 249—276.

8. Лащинский Н.Н. Биология, экология и взаимоотношение ценопопуляций растений. М.: Наука, 1982. 41 с.