CC BY
93
УДК 581.562
СОСТОЯНИЕ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ БОЛЬШОГО ГОРОДА
© 2000 Э.Г. Коломыц1, H.A. Сурова1, A.C. Керженцев2, О.В. Глебова3
1 Институт экологии Волжского бассейна PAH, г. Тольятти
2 Институт фундаментальных проблем биологии PAH 3 Нижегородский государственный педагогический университет
На примере крупного города, Нижнего Новгорода, излагается опыт изучения состояния лесных экосистем в целях организации экологического мониторинга.
Вопросы диагноза и прогноза ареалов с различной остротой экологической ситуации в больших промышленных городах до сих пор освещены весьма слабо. Это связано с недостаточной изученностью поведения конечных звеньев экологической цепи в системе город-природа-человек, т.е. ответной реакции организмов растений, животных и самого человека на действия различных загрязнителей в урбосфере. Далеко не всегда учитывается, что население и фитобиота (вместе с почвой), составляющие экологическое ядро городской геотехсистемы, реагирует, как правило, на интегральное воздействие различных токсикантов в окружающей среде.
В настоящем сообщении излагаются некоторые результаты ландшафтно-экологического анализа состояния городских сосноволесных экосистем на примере крупного мегаполиса - Нижнего Новгорода. В качестве объектов изучены природные комплексы трех экспериментальных полигонов, расположенных в ландшафтном районе Низменное Заречье и имеющих сходные между собой геолого-геоморфологические и биокли-матичеокие условия: 1) сосноволесной участок заповедника "Керженский", находящийся в 50 км к северо-востоку от Нижнего Новгорода, 2) лесопарковый массив "Стригинской Бор", имеющий достаточно высокую рекреационную нагрузку при слабом загрязнении природных сред, 3) Сормовский городской парк культуры и отдыха, находящийся под сильным геохимическим воздействием окружающих его промышленных предприятий и автотранспортных магистралей и также подверженный рекреации. Изучение связей со-
стояния лесных фитоценозов в зависимости от урботехногенных факторов проведено с применением методов теории информации [1, 13].
Экологический анализ площадных и линейных зеленых насаждений в целом по Нижнему Новгороду подтвердил известное положение о том, что их состояние определяется преимущественно не техногенными геохимическими аномалиями в почве, а загрязнением атмосферы. Так, в Сормовском парке суммарный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА, согласно [3]), для растительности по пяти основным веществам (пыли, Б02, N0, СО, И2Б) превышает 13 единиц - во столько раз общий уровень загрязнения атмосферы парка в теплый период года превышает допустимый уровень. В то же время по содержанию большинства микроэлементов почвы парка характеризуются в целом слабым и умеренным загрязнением. На основе проведенных нами натурных обследований получен следующий полином, описывающий множественную зависимость состояния зеленых насаждений (У) от основных техногенных факторов (X), с соответствующими коэффициентами 1 приема информации К(У/Х) [1]:
У = 0,376-Х1 + 0,152-Х2 + 0,200-ХЗ +
+ 0,207-Х. + 0,065-Х..
4 J
Здесь Х1 - выбросы автотранспорта в атмосферу; Х2 - суммарное загрязнение почвы; ХЗ и Х4- среднегодовая концентрация в воздухе соответственно пыли и Б02, выбрасываемых промпредприятиями; Хj - неучтенные факторы. Техногенные выбросы, поступающие в городскую атмосферу, оказывают
Рис. 1. Среднеиюлъские концентрации 802(мг/кг) в Сормовском и Московском районах Нижнего Новгорода. 1 - городские кварталы; 2 - промзоны; 3 - территория Сормовского парка; 4 -.автотранспортные магистрали; 5 - озера и водохранилища
гораздо большее прямое воздействие на растения (сила влияния превышает 40%), нежели их последующее накопление в почве (около 15%). Очевидно также, что для таких промышленных городов, как Нижний Новгород, стационарные источники выбросов и автотранспорт влияют примерно в равной степени.
Таким образом, при выявлении ареалов с различной степенью экологического риска и создании системы экологического нормирования с пространственно распределенными параметрам главное внимание должно уделяться загрязнению воздушного бассейна города. Нами предложен алгоритм крупномасштабного картографирования загрязнения городской атмосферы от промышленных предприятий и построение карт приземных концентраций сернистого ангидрида и пыли как двух приоритетных загрязнителей. Расчет концентраций (для июля и в целом за год)
проведен по исходным технологическим параметрам выбросов предприятий и на основе методических руководств [3, 4]. Концентрация С^. вещества в 1-той точке в .-том направлении от промпредприятия, с учетом розы ветров, рассчитывалась по формуле:
С. = Ст1/Р.-№(д-ДЯ)/2р,
где Ст. - максимальная концентрация примеси в 1-той точке, создаваемая при .-том направлении ветра и скорости, при которой концентрация будет наибольшей (сопоставляется с максимально разовой концентрацией); Р. - вероятность ветра данного направления; N - число направлений ветра, учитываемых при расчете повторяемости .-го направления ветра; Р - суммарная повторяемость приподнятых и приземных инверсий; ДЯ - разница в приземной концентрации, обусловленная наличием или отсутствием задерживающего инверсионного слоя. В рас-
Рис. 2. Среднеиюлъские концентрации пыли (мг/кг) в Сормовском и Московском районах Нижнего Новгорода. Условные обозначения те же, что и на рис.1
четные формулы введены также температура воздуха и значения расстояний от источника выбросов с шагом 0,5 км.
На основе данных по Ст1. и средней месячной скоростям ветра были рассчитаны максимальные значения С . приземной кон-
тш г
центрации Б02 и пыли. Введя в дальнейшие расчеты значения повторяемости ветров различных направлений и повторяемости инверсий, мы получили матрицы полей среднеиюльских и среднегодовых концентраций указанных загрязнителей, создаваемых каждым из промпредприятий. По матрицам вычерчены соответствующие карты парциальных полей концентрации в масштабе 1:25000. Следующим шагом было построение суммарных полей, учитывающих вклад всех предприятий в загрязнение атмосферы. С этой целью производилась суперпозиция парциальных полей с вычислением суммарных концентраций в узлах сетки размером 500х500 м. Такое разрешение оказалось достаточным в данном масштабе картирования. Проверка репрезентативности расчетов, про-
веденная по данным прямых измерений концентраций, показала хорошую сходимость по Б02 и определенное завышение по пыли, что можно объяснить недоучетом КПД пылеулавливающих устройств на промпредприятиях.
Полученные карты (рис.1, 2) имеют определенное фитоэкологическое содержание, ибо на них легко выделяются ареалы с различной потенциальной степенью повреждения хвойных и лиственных древостоев (ареалы экологического риска), если использовать известные пороговые значения концентраций [6, 10, 11 и др.]. Кроме того, сопоставляя суммарные и парциальные поля содержания токсикантов, можно определить вклад каждого предприятия в загрязнение атмосферы на том или ином участке города, что открывает путь к экологическому нормированию с пространственно распределенными параметрами.
Выявленные нами изменения почвенногеофизических и геохимических условий в городской среде, а также автотрофного биогенеза указывают на общий процесс урботех-ногенной аридизации лесного природного
комплекса. Почвы Нижнего Новгорода приближаются к аридному (пустынно-степному) типу как по своему гидротермическому режиму, так и по однозначному сдвигу обменной кислотности в щелочную сторону от своих зональных аналогов, что сопровождается активным засолением почв. Оба типа техногенного воздействия, геофизическое и геохимическое, интерферируют с одинаковым знаком и вызывают общий кумулятивный эффект -экстразональное опустынивание природного комплекса. В первую половину лета температуры всей почвенной толщи в Стри-гинском бору и Сормовском парке оказывается на 2...8 градусов выше, чем в Керженском заповеднике. Одновременно в среднем на 5...10% снижается влажность почвы, а запасы влаги в метровом слое почвы уменьшаются в 1,5...3 раза - с 160...220 мм до 60...100 мм и до 40...160 мм соответственно. В спонтанных условиях этот гидротермический сдвиг отвечает меридиональному смещению территории города на юг (по меридиану Нижегородской области) на 200...300 км - от смешаннолесной зоны в зону лесостепи. Наиболее существенные гидротермические сдвиги (температуры почвы на 6...8 градусов, влажности на, 25...35%, запасов влаги в слое 1 м на 200...300 мм) свойственны трансаккумулятивным и аккумулятивным геотопам. При этом происходит пространственное выравнивание локальных гидротермичеоких полей с одновременным ростом их неупорядоченности, мозаичности.
Для Нижнего Новгорода зональными типами почв являются дерново-подзолистые (вместе с почвами болотного ряда) в низинном Заречье и серые лесные (различной степени смытости, нередко насыпные) на возвышенном Правобережье. Наиболее яркими показателями техногенной трансформации почв являются изменения солевой кислотности, содержания гумуса и минеральных питательных веществ. О.В. Глебовой построены почвенная карта Нижнего Новгорода, а также комплект почвенно-геохимических карт (в масштабе 1:200000): обменной кислотности, содержания углерода (гумуса), фосфора, калия, тяжелых металлов (свинца, кадмия, никеля, хрома, меди, кобальта, цинка).
Обменная кислотность почв является, как известно, одним из важнейших показателей состояния почвенного покрова городской территории. Техногенное подщелачива-ние почв - характерная черта всех промышленных городов [15]. Величина сдвига реакции рН в щелочную сторону позволяет определить меру воздействия техногенного загрязнения атмосферы и почвы на растительность и дать рекомендации по озеленению городской территории. На карте обменной кислотности почв Нижнего Новгорода хорошо видны четкие различия между ландшафтными районами города. Большие массивы щелочных почв, с рН = 7,5 и выше, расположены в низинном Заречном ландшафтном районе. На возвышенном Правобережье такие почвы представлены лишь небольшими участками вдоль Волги и Оки. Доминирование щелочных почв в низинном Заречье объясняется наличием большого количества промышленных предприятий и ТЭЦ, вокруг которых они формируются. По мере удаления от источников загрязнения в стороны пригородных зон наблюдается постепенная смена реакции почв с щелочной на кислую. В пригородной зоне почвы по реакции соответствуют сильнокислотным. По данным Нижегородских организаций Госкомприроды, самые большие выбросы вредных веществ и максимальные значения ИЗА соответствуют ареалам щелочных почв. Территории города с крайне высокой степенью загрязнения воздуха имеют соответственно и наибольшие величины обменной кислотности почв.
Почвы городских окраин и пригородных лесопарков в низменном Заречье имеют кислую или нейтральную реакцию при сравнительно малых запасах гумуса, в то время как в близи промышленных предприятий преобладают щелочные почвы о повышенным содержанием углерода явно техногенного происхождения. Так, в почвах Сормовского парка, окруженного со всех сторон промпред-приятиями (рис.1, 2), рН = 5,0...6,8, а в сосняках-аналогах пригородного Козинского лесничества, не подверженных загрязнению, - 4,6...4,8.
На примере почв Автозаводского парка удалось проследить не только тенденцию, но
и скорость геохимических изменений лесных почв за 50-летний период (1939-1989 гг). В конце 30-х годов, когда работа соседних предприятий ГАЗ только начиналась, в парке не было зафиксировано нейтральных и слабощелочных почв. Спустя 50 лет таких почв было уже более 10% от общего количества обработанных нами образцов. Сдвиг реакции рН составил в среднем 2% в год. Техногенное подщелачивание почв снижает подвижность различных химических элементов и, следовательно, уменьшает их токсичность [14, 15 и др.]. Очевидно, высокощелочная реакция почв промышленных территорий низинного Заречья (рН < 7,5) является экологически положительным фактором, препятствующим миграции токсичных элементов (прежде всего, тяжелых металлов) по трофическим цепям. В гумусовых горизонтах повышается содержание обменных катионов, что усиливает буферные свойства почвы [7,
11 и др.]. В этом проявляется эффект отрицательной обратной связи в системе техника-природа, стабилизирующей негативные для живых организмов процессы техногенеза.
Урботехногенная аридизация лесных экосистем отчетливо проявляется также в автотрофном биогенезе. Общая продуктивность сосняков Керженского заповедника составляет 5,5-12,5 т/га в год, что лежит в диапазоне первичной продуктивности от средней тайги до луговых степей [2]. В пределах города экстремальные значения общей первичной биопродуктивнооти падают в 4-5 раз, причем в отрицательных формах рельефа гораздо сильнее, чем в положительных, поэтому разница в значениях продуктивности между геотопами существенно сокращается. Происходит своего рода локальное выравнивание величин продукции лесных фитоценозов на фоне общего снижения интенсивности продукционного процесса. Сосняки Стриги-нокого бора и Сормовского парка производят ежегодно в среднем 2,5-3,7 т органики, а во многих случаях эти цифры снижаются до 1,3-2,0 т. Столь низкую производительностью в естественных условиях имеют экосистемы крайне северных и крайне южных природных зон умеренного пояса - кустарничко-вые тундры, сухие степи и эфемерно-
кустарничковые пустыни, а также сфагновые болота.
Таким образом, общая первичная продуктивность лесных экосистем смешанноле-оной зоны, находящихся под прессом урбанизации, снижается до пустынно-сухостепного уровня, что и составляет важнейший функциональный признак их антропогенного "опустынивания". В этих условиях существенно усложняется проблема поддержания в урбосфере исходного состояния естественных лесных экосистем, а также создания устойчивых искусственных фитоценозов при зеленом строительстве.
На примере Сормовского городского парка, находящегося в условиях техногенного загрязнения атмосферы, превышающего по сернистому ангидриду и пыли 8-9 ПДК (для растительности), установлены основные диг-рессионные явления и процессы в сосновых древостоях. В качестве контроля использованы сосняки-аналоги Козинокого лесничества. По изменениям содержания хлорофилла в хвое сосны и накоплению тяжелых металлов в почве выявлена главная закономерность локальной дифференциации урботехногене-за: на возвышенных местоположениях (МП-1) деградация сосняков вызвана почти исключительно атмосферными загрязнителями, между тем как в понижениях и на плоских участках (МП-2) сказывается также избыточное (2...7-кратное по сравнению с фоном) загрязнение почвы тяжелыми металлами.
Соответственно выражен фитоценоти-ческий эффект загрязнения природных сред. Расчеты, выполненные М.В. Сидоренко по методике [10], показали, что если в Козинс-ком лесничестве все сосняки можно отнести к категории здоровых, то в Сормовском парке преобладают сильно ослабленные, либо полностью разрушенные популяции сосны. Одновременно на 2-3 класса бонитета снижается продуктивность сосняков. Даже на МП-2, где почвы наиболее загрязнены тяжелыми металлами, но одновременно более богаты гумусом, сосняки в возрасте более 70 лет едва превышают высоту 12 м (IV класс бонитета против 20-25 м, свойственных I классу), т.е. относятся к малопродуктивным насаждениям, которые аналогичны соснякам
Таблица 1. Антропогенные возрастные изменения процентных соотношений сосновых древостоев Сормовского парка, находящихся в различных жизненных состояниях
Состояния (см. в тексте) Возраст, лет
10 20 30 40 50 60 70 80 90
МП-1 - вершины дюн и верхние крутые части склонов
1-2 75 56 42 32 24 18 14 10 8
3 7 11 13 13 8 12 11 10 9
4 18 33 45 55 68 70 75 80 83
МП-2 - западины, нижние пологие склоны, плоскоравнинные участки
1-2 80 64 51 41 32 26 21 17 14
3 7 11 14 15 16 16 16 15 14
4 13 25 35 44 51 58 63 68 72
долгомошным и сфагновым. На МП-1, с их наиболее бедными и сухими песчаными почвами, общая продуктивность древостоев снижается еще сильнее. При этом, у 15-30% сосен парка сильно выражены суховершин-ность и поражение раком-серянкой. Таким образом, подтверждается известное экологическое правило: на более богатых почвах фитоценозы обладают повышенной устойчивостью к загрязнению природных сред по сравнению с местообитаниями, имеющими обедненные почвы.
По данным исследований, проведенных в Сормовском парке В.П. Воротниковым и И.А. Алексеевым, нами установлено, что переход сосняков из состояния 1 (здорового дерева) в состояние 2 (поврежденное дерево) повсеместно начинается уже в молодом возрасте -около 25 лет, а дальнейший переход к состоянию 3 (сильно ослабленное дерево) приурочен к 45-50-летнему рубежу. В дальнейшем наблюдается локальная бифуркация дигрессионного процесса: на МП-1 переход к состоянию 4 (отмирающее дерево) может оказаться катастрофическим, а на МП-2 - растягивается до 70-90-летнего возраста. Используя методы теории надежности [5] и расчетов вероятностей многозначных переходов объектов [8, 16], мы установили возрастную динамику дигрессионного процесса сосноволесных экосистем в различных локальных геотопах (табл.1).
Полученные результаты имеют практическое значение для планирования превен-
тивных мер по сохранению сосновопаркового массива. Очевидно, к 50-60-летним возрастным рубежам основного древостоя необходимо вырастить новое поколение сосен, способных заменить старые больные и умирающие деревья. В Сормовском парка этого сделано не было, что и привело сосновые популяции к почти повсеместному вырождению.
Важнейшим свойством, определяющим поведение лесных биогеоценозов в урбосфере, является их устойчивость, и прежде всего устойчивость упругая, по [12]. Нами использован метод расчета, индекса упругой устойчивости биогеоценоза 1(уст), предложенный ранее [9] и основанный на двух показателях: коэффициенте оборота надземной фитомассы (К) и коэффициенте ее годичной деструкции (К ). Оказалось, что 1(уст) имеет в целом слабые связи с основными почвен-но-фитоценотическими параметрами: преобладающий нормированный коэффициент сопряженности (К(А;В) \< 0,10)*. Максимум 1(уст) = 0,67...0,82 может наблюдаться как на песчаных, так и на средне-тяжелосуглинистых субстратах, как на сухих эдафтопах, так и в условиях местного переувлажнения. Более однозначна связь параметра 1(уст) с фитоценотическими характеристиками. Наиболее устойчивы трансэлювиальные разнотравно-злаковые и лишайниковые сосняки, а также смешанные высокопойменные леса, обладающие максимальными отношениями продуктивности к биомассе (0,065...0,086). Весьма слабо устойчивы (1(уст) = 0,11 ...0,30)
Таблица 2. Значения индекса устойчивости лесных экосистем в целом по каждому модельному полигону и по геотопам-аналогам (см. в тексте)
Параметры Керженский заповедник Стригинский бор Сормовский парк
Среднее знач. 0,464 0,377 0,387
Ст. отклонен. 0,158 0,098 0,155
Коэф. вариац. 34 26 40
Среднее 1 0,547 0,370 0,315
по гео- 2 0,364 0,362 0,379
топам- 3 0,671 0,374 0,417
аналогам 4 0,498 0,382 0,409
элювиальные и транзитные сосняки с елью кустарничково-зеленомошные.
В городской среде устойчивость лесных массивов в целом снижается (табл.2), хотя и не столь значительно, как это можно было бы ожидать ,по резкому (см. выше) падению первичной биопродуктивности, что является, по-видимому, следствием проявления механизмов адаптации лесного фитоценоза к урбос-фере. Вне зоны урбанизации мера связи индекса устойчивости с параметрами Коб и Кгд равна соответственно 0,229 и 0,105. Очевидно, автотрофный биогенез в гораздо большей степени определяет пространственную дифференциацию устойчивости экосистемы, чем детритная ветвь биологического круговорота. Это преобладание усиливается в самой урбосфере и достигает 3,5-4-кратных величин: для Сормовского парка в парах Коб —> 1(уст) и Кгд —> 1(уст) значения К(А;В) равны соответственно 0,448-0,456 и 0,130-0,165.
Таким образом, налицо проявление адаптивных механизмов организации лесной экосистемы в урбосфере. Они ведут к повышению скорости годичного оборота фитомассы в условиях мощного геохимического воздействия и направлены в конечном итоге на поддержание устойчивости экосистемы. При этом, минимум устойчивости смещается с элювиально-транзитных разнотравно-зеле-номошных сосняков плоских междуречий (геотопа 2) к трансэлювиальным и элювиальным соснякам песчаных дюн (геотопу 1), где в наибольшей мере сохраняются исходные
(лесные) ценотические группы напочвенного покрова. Процессы олуговения лесов у подножий склонов и в ложбинах стока (гео-топ 3) также сопровождается снижением устойчивости. Вместе с тем на пологих склонах и в полузамкнутых понижениях (геото-пы 2 и 4) замена лугово-лесных видов сорными и рудеральными, по-видимому, способствуют поддержания устойчивости лесной экосистемы в урбанизированной среде.
* Имеется в виду связь явления А с фактором
В. Согласно [13], К(А;В)=0,194 соответствует
коэффициенту корреляции 0,6-0,7.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арманд А. Д. Информационные модели природных комплексов. М.:Наука, 1975.
2. Базилевич НИ., Гребенщиков О.С., Тиш-ков А.Д. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. М.: Наука, 1986.
3. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидро-метеоиздат, 1986.
4. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
5. Гродзинский М.Д. Применение оценок устойчивости геосистем к нормированию антропогеннык воздействий // Ландшафты, нагрузки нормы. М., 1990.
6. Гудериан Р Загрязнение воздушной сре-
ды. М.: Прогресс, 1979.
7. Керженцев A.C. Вступительная статья / Смит У.Х. Лес и атмосфера. М.: Прогресс, 1985.
8. Коломыц Э.Г. Авторегуляция сублимационного метаморфизма в горизонтах снежной толщи / Математические методы в экологии и географии. Владивосток: Тио-океан. ин-т географии, 1978.
9. Коломыгц Э.Г. Организация и устойчивость хвойнолесных экосистем на боре-альном экотоне Русской равнины // Известия РАН. Сер. географич. 1995. №3.
10. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение / Отв. ред. B.A. Алексеев. Л.: Наука, 1990.
11. Николаевский B.C. Влияние промышленных газов на растительность / Региональный экологический мониторинг. М.: Наука, 1983.
12. ОдумЮ. Основы экологии. М.: Мир, 1975.
13.Пузаченко Ю.Г., Скулкин B.C. Структура растительности лесной зоны СССР. Системный анализ. М., 1981.
14. Смит У.Х. Лес и атмосфера. М.: Прогресс, 1985.
15. Экологическая ситуация в городе Серпухове и перспективы ее улучшения / Под ред. Ф.И. Хакимова, А.Ю. Поповой, A.C. Керженцева. М.: ПОЛТЕКС, 2000.
16. Эшби У. Р. Введение в кибернетику. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1959.
CONDITION OF WOOD ECOSYSTEMS OF LARGE CITY
© 2000 E.G. Kolomyts1, N.A. Surova1, A.S. Kerzhentsev2, O.V. Glebova3
1 Institutes of Ecology of Volga River Basin of Russian Academy of Sciences, Togliatti
2 Institutes of Fundamental Problems of Biology of Russian Academy of Sciences
3 Nizhniy Novgorod State Pedagogical Universities
On an example of large city - Nizhniy Novgorod - experience of study of a condition wood ecosystems with the purposes of organization ecological monitoring is stated.
