Геоэкологическая оценка состояния особо охраняемых природных территорий биоиндикационными методами (на примере Хоперского государственного природного заповедника) (стр. 1 )

На правах рукописи

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ БИОИНДИКАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ

(на примере Хоперского государственного природного заповедника)

Специальность 25.00.36 — геоэкология

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Астрахань - 2012

Работа выполнена на кафедре экологического образования

Воронежского государственного педагогического университета

Научный руководитель:		кандидат географических наук, доцент
Официальные оппоненты:		доктор географических наук, профессор, Калмыцкий государственный университет, профессор кафедры ботаники и зоологии
Ведущая организация:		доктор географических наук, профессор, , заместитель генерального директора по развитию и науке Липецкий государственный педагогический университет

Защита состоится «31» мая 2012 года в 09.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.04 при Астраханском государственном университете г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат (2 экземпляра, заверенных печатью) просим направлять г. Астрахань, пл. Шаумяна, д. 1, АГУ, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.009.04.

Факс (85

E-mail: *****@***ru

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат географических наук,

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Одним из приоритетных направлений научно-исследовательской деятельности на особо охраняемых природных территориях согласно «Основным направлениям государственной политики по развитию системы государственных природных заповедников и национальных парков в Российской Федерации на период до 2015 года» является выявление причин неблагоприятных тенденций в динамике природных комплексов и прогноз их последствий на основе разработки методов экологического мониторинга. Кроме этого, важным является выявление объектов мониторинга, что позволяет стандартизировать методики исследования состояния как самих объектов, так и на этой основе состояния среды в условиях изменяющихся природно-климатических условий. В эпоху глобальных антропогенных преобразований природных геосистем Земли сохранение и изучение эталонных мало нарушенных территорий, которыми на современном этапе являются заповедники, приобретает все большую актуальность. Особо охраняемые природные территории, изъятые из хозяйственного пользования, представляют собой уникальные объекты для проведения длительных стационарных научных исследований и мониторинга природных явлений и процессов.

Переход от качественных биоиндикационных признаков к созданию количественных методик на основе анализа морфолого-анатомических структуры древесных растений позволяет использовать для мониторинга качества среды в пределах всего ареала обитания. Выбранные в качестве объекта исследования для создания комплексной биоиндикационной методики дуб черешчатый является видом эдификатором лесных экосистем, занимающих обширные территории Восточно-Европейской равнины. Бассейн среднего течения реки Хопер расположен на границе южной лесостепи и степи на юго-восточной окраине распространения позднераспускающейся формы дуба. Пойменные леса имеют более широкий ареал распространения, приурочены к плодородным аллювиальным почвам. Методики на основе количественных параметров позволяют сравнивать опосредованные количественные показатели всего комплекса факторов обширных территорий различного структурного состава. Пойменные леса в пределах Среднерусской лесостепи имеет специфическую структуру, обладает особым составом и механизмом устойчивости, которая отличается от зональных.

Рациональное использование их биоэнергетического потенциала и особенности их охраны - одна из важнейших проблем современности в связи с их водорегулирующим, почвозащитным, эколого-гигиеническим и культурно-эстетическим значением. Выявление закономерностей геоэкологической дифференциации природных флуктуаций и тенденции развития геосистем охраняемых территорий в условиях глобальных изменений имеет актуальное значение для прогноза.

Цель исследования состояла в выявление параметров биоиндикационных диагностических признаков структуры органов дуба черешчатого - растения-эдификатора эталонных участков для оценки состояния комфортности среды, и разработки, обоснования проектов оптимального функционирования природных геосистем.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

-проанализировать существующие методы биоиндикационных исследований для оценке состояния комфортности окружающей среды;

-  выявить вариацию параметров флуктуирующей асимметрии используемых морфологических признаков листа и количественные параметры анатомических признаков стебля дуба черешчатого произрастающих в условиях естественной природной особо охраняемой территорий для мониторинга среды;

-  провести сопряженный анализ выявленных признаков в разных условиях речной долины для обоснования методики комплексных биоиндикационных исследований и определения функционального режима эталонных геосистем;

-  разработать алгоритм для прогнозного моделирования состояния пойменных лесных геосистем в современных условиях изменения климата;

-  разработать ГИС-технологию использования биоиндикации для изучения особо охраняемых природных территорий для экспресс геомониторинга.

Объектом исследования - лесные геосистемы речной долины особо охраняемой природной территории Хоперского государственного природного заповедника.

Предмет исследования – структурная морфолого-анатомическая реакция дуба черешчатого, эдификатора и доминанта пойменных лесных геосистем на факторы окружающей среды.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексная биоиндикационная методика сопряженного анализа на основе морфологических параметров флуктуирующей асимметрии листовых пластин и анатомической структуры стебля дуба черешчатого для мониторинга состояния природной среды в эталонных условиях особо охраняемых территорий.

2. Алгоритм применения методики вариативной шкалы морфолого-анатомических признаков для выявления степени комфортности дубрав в пределах особо охраняемых природных территорий.

3. Геоэкологическая ГИС-технология оценки степени комфортности среды обитания на основе результатов применения комплексной сопряженной методики биоиндикации.

4. Рекомендации по геоэкологической оценке состояния геосистем с использованием комплексного биоиндикационного метода сопряженного анализа морфолого-анатомических показателей дуба черешчатого для оптимизации лесных геосистем особо охраняемых природных территорий.

Организация и методика исследования. Материалы для данной работы были собраны автором лично в течение периода с 2003 по 2009 гг. на особо охраняемой природной территории Хоперского государственного заповедника и его буферной зоне. Всего было собрано 600 образцов на 10 модельных участках. Проведены исследования почв и геоморфологические описания на основных стационарных участках. Исходная информация, кроме личных полевых стационарных и лабораторных исследований автора, получена из фондовых материалов Хоперского государственного природного заповедника, из литературных и картографических источников. Для решения поставленных задач использовались следующие методы: картографический, биодиагностический, статистический, геохимический, сравнительно-географический, ландшафтно-типологический. Наряду с традиционными методами использовался разработанный авторский метод морфолог-анатомической фитоиндикации.

Научная новизна диссертации заключается в следующих положениях:

- впервые разработана шкала флуктуирующей ассиметрии листьев дуба для целей биоиндикации;

- выявлены индикационные показатели анатомической структуры стебля дуба черешчатого с определением их количественных диапазонов в соответствии с качеством среды их обитания;

- проведен сравнительный анализ методики с использованием морфолого-анатомических показателей стебля дуба черешчатого с методикой флуктуирующей асимметрии листовых пластин дуба по оценки качества среды;

- внесены уточнения в составленную в почвенную карту ХГПЗ в соответствии с типологическими изменениями в классификации почв;

- составлена на основе личных исследований и фондовых материалов ландшафтная карта ХГПЗ;

- проведен геоэкологический анализ состояния дубравных лесных геосистем ХГПЗ;

- разработана ГИС-технология экспресс-оценки качества среды по ограниченному количеству анатомических параметров стебля дуба черешчатого для оценки эталонных участков среды с минимальным антропогенным влиянием.

Практическая значимость работы. Материалы исследования используются при оценке функционального режима лесных геосистем территорий, находящихся под влиянием техногенных факторов независимо от их происхождения. Результаты исследования и методики предоставлены в распоряжение научного отдела Хоперского государственного природного заповедника. Полученные методики могут быть положены в основу мониторинга и ведения лесного кадастра охраняемых территорий в пределах Русской равнины, а также в преподавании спецкурса «Методы географических исследований» на естественно-географическом факультете Воронежского государственного педагогического университета.

Апробация и публикации результатов исследования. Обоснованность выводов диссертационного исследования обеспечивается большим объемом фактического материала, полученными в процессе полевых исследований, обработанных методом математической статистики. Основные положения работы докладывались на научно-практических Всероссийских (Воронеж, 2002, 2009) и межрегиональных конференциях: «Состояние особо охраняемых территорий Европейской части России» (Воронеж, ), «Территориальная организация общества и хозяйства» (Воронеж, 2008, 2009), «Эколого-географические исследования в речных бассейнах» (Воронеж 2009), на VI Большом географическом фестивале (Санкт-Петербург, 2009), в материалах географического съезда РГО РФ (Санкт-Петербург, 2010). Основное содержание работы диссертационной работы изложено в 28 публикациях, в том числе в 3 статьях опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 206 наименований, из них 13 на иностранном языке, приложения. Работа включает 153 страницы машинописного текста, 18 таблиц, 36 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи исследования, указываются объект и предмет исследования; излагается краткое содержание работы, характеризуется ее структура, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Теоретико-методические основы изучения качества среды с использованием методов биоиндикации» проанализировано современные состояние проблемы мониторинга качества среды с точки зрения динамики развития и эволюции основных теоретических подходов в определении целей, задач, структурных этапов различных видов и направлений биоиндикационных исследований. Дана характеристика основных типов моделей для исследования структуры, функционирования и динамики природных геосистем с использованием ГИС-технологий. Биоиндикационными исследованиями и изучением лесных геосистем Хоперского государственного природного заповедника занимались , , , , .

Анализ современных подходов к исследованию среды методами биоиндикации на основе морфолого-анатомической структуры показал их разнообразие и актуальность в связи с принципом дополнительности к физико-химическим методам. В связи с этим, является значительным дополнением в организацию мониторинга. Использование биоиндикационных методов, позволяющих определять не только комплексный характер. Используя биоиндикационные методы можно оценить состояния компонентов среды обитания для выявления дисбаланса геосистем, на основе выявления видового состава наиболее чувствительных организмов. Это позволит эффективно оценивать и прогнозировать состояние среды и минимизировать затраты исследования. Большинство авторов обосновывают перспективность использования фитоиндикация для целей мониторинга в связи с большей чувствительностью растений по сравнению с животными. Считается, что биомониторинг позволяет давать оценку влияния комплекса факторов, а последующее нормирование и прогнозирование фонового состояния среды оценить ее комфортность.

Исследование качественных количественных признаков реакции дуба черешчатого с системных позиций позволяет выработать критерии оценки качества среды, на основе которой возможно районирование территории по степени оптимальности комплекса природных факторов среды.

Оценка влияния факторов среды на растительный организм невозможна без организации мониторинга, включающего в себя систему оценки воздействия локальных источников загрязнения на растительность. В основу выделения нормирования положен санитарно-гигиенический лимитирующий показатель. Для целей диагностики атмосферного загрязнения предложена шкала анатомических признаков стебля (Гребенюк, 2007), шкала степени повреждения воскового налета хвои (Tuomisto, 1988), эталонная дендрохронологическая шкала (Ловелиус, 1970).

Вторая глава «Методы геоэкологических биоиндикационных исследований ООПТ» посвящена изложению физико-географических и биоиндикационных методов исследования.

Изложены методологические этапы анализа и оценки биоразнообразия лесных геосистем. При выборе единиц для анализа растительного покрова учитывалась территориальная привязка с характеристикой геоэкологического пространства местообитаний. Оценка гамма – разнообразия проводилась по общему флористическому богатству и определялась для растительного покрова крупных пространственных единиц.

При оценке бета – разнообразия рассчитывались коэффициент флористического сходства Жаккара (С) C = j/(a+b-j), где j – число общих видов в обеих фитохорах; a – число видов в первой фитохоре; b – число видов во второй фитохоре; и индекс Уиттера (Bw) Bw = S/a – 1, где S – видовое богатство в пределах исследованной фитохоры; a – средняя видовая насыщенность на 100 квадратных метров.

Картографический метод исследования позволил достичь достоверного отражения физико-географических ландшафтных особенностей исследования территории основе создании ландшафтной карты. Ландшафтные исследования проводились с использованием метода ландшафтного прогнозирования и картирования. В каждом типе местности были выделены по схеме ландшафтного районирования типы урочищ.

Для анализа флуктуирующей асимметрии нами взято пробы по 300 листьев дуба черешчатого со средневозрастных деревьев, произрастающих в аналогичных экологических условиях освещённости, достигших генеративного возрастного состояния, занимающих равное положение в нижней части кроны, без повреждений. Измерялись следующие признаки: ширина левой и правой половины листа; длина второй от основания листа жилки второго порядка; расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; расстояние между концами этих жилок; угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.

Относительные величины асимметрии каждого признака вычислялись отдельно для каждого промеренного листа. Для этого разность между промерами слева (L) и справа (R) делилась на сумму этих же промеров: |L-R|/|L+R|.

Величину флуктуирующей асимметрии оценивали с помощью интегрального показателя - величины среднего относительного различия между сторонами на признак (средняя арифметическая отношения разности к сумме промеров листа слева и справа, отнесенная к числу признаков). При этом учитывали закономерность: чем выше уровень значений этого показателя, тем ниже уровень гомеостаза развития.

Анатомическому исследованию подвергалась боковые однолетние побеги дуба черешчатого, с которых брались листья для исследования проявления флуктуирующей асимметрии. При этом важным условием было соответствие анализа собранного стебля и листьев для сопряженного анализа ответной реакции целостной структуры. Выбор признаков для анализа морфолого-анатомического строения осуществлялся на основе составления дерева целей.

В третьей главе «Структура и динамика природных процессов среднего течения долины реки Хопра в пределах Хоперского государственного природного заповедника» Хоперский государственный природный заповедник расположен в речной долине среднего течения реки Хопер, на востоке Воронежской области. Анализ динамика климато-гидрологических показателей показал влияние гидрологического режима пойменной территории на развитие и устойчивость биоценозов во многом зависит от систематических односторонних отклонений и соответствующего воздействия фактора в течении года. Гидрологические условия являются важнейшим фактором, влияющим на состояние и устойчивость биоценозов заповедника и особенно пойменных. Именно в период систематически минимального уровня наблюдалось массовое усыхание ильмовых в начале периода, которое затем охватило дубравы и другие породы.

Ландшафтная структура заповедника по категориям земель показана на рис 1, преобладающим является покрытые лесом площади.

Рис. 1. Распределение заповедника по категориям земель

В структуре природно-антропогенных геосистем преобладают аквальные ландшафты, сенокосы и болота. Динамика преобладающих лесных пород представлена на рис. 2.

Рис. 2. Динамика преобладающих лесных пород

Динамика развития леса на территории Хоперского государственного заповедника рассмотрена с 1940 по 2008 год, на основе которых выявлены закономерности функционирования лесных геосистем.

С 1875 года по 1917 год лесоразведение велось по типу лесхозов, большинство лесохозяйственных культур были посажены в 1935 году. В структуре заповедника менялась покрытая и непокрытая лесом площадь. Динамика лесных насаждений Хоперского государственного заповедника представлена на рис.3.

Рис. 3. Динамика лесных насаждений Хоперского государственного заповедника

В структуре лесных насаждений преобладали посадки сосны, дуба, ольхи, осины (рис. 4). Листовая биомасса дуба колеблется от 1296 до 1784 кг/га, площадь листовой поверхности на 1 га насаждений составляет от 18323 м /га до 29872 м3/га. Исследовался дубняк крапивный минимальный. Спад отмечен в 2004 г - 2,4 т/га, максимальный в 2007 г. - 6,5 т/га.

Рис. 4. Динамика распределения площадей дуба по классам возраста, га

Естественных сосновых лесов на территории заповедника нет. Представлены культурные посадки сосны возрастом 40-110 лет. На территории заповедника основную посадку сосны осуществили в 60-80-е годы XX века, но она погибла в 1995 году. Новые восстановленные культуры имеют возраст около 7 лет и менее.

Основным фактором почвообразования в пойме Хопра являются аллювиально-пойменные процессы, которые заключаются в периодическом затоплении поймы и отложений наносов. В прирусловой пойме формируются аллювиальные почвы, а в центральной пойме супесчаные и зернисто-суглинистые, в притеррасной пойме довольно часто встречаются иловато-болотные почвы. Повышения поймы Хопра заняты песчано-пылеватыми почвами, а понижения заняты слоисто-зернистыми супесчаными, суглинистыми почвами, который имеют тяжёлый механический состав. Следует отметить, что потенциальное плодородие иловато-болотных почв сковывается анаэробными процессами, а в засоленных почвах увеличением концентрации солей. Составленная на основе имеющихся картографических и проведенных авторских исследований почвенная карта представлена на рис. 5.

Рис. 5. Картосхема структуры почвенного покрова на территории Хоперского государственного заповедника (с уточнениями и дополнениями автора)

При оценке лесорастительных условий индикатором служит травянистый покров и уровень залегания грунтовых вод. На размещение древесных пород в пойме оказывают влияние грунтовые воды. Особенно решающим фактором роста древесных пород в притеррасной пойме является уровень залегания грунтовых вод. Глубина грунтовых вод зависит от удалённости от русла и высотой отметки участка над меженью. В притеррасной пойме близко залегают грунтовые воды, здесь выражена зона длительного затопления. В этих условиях произрастает ольха, ветла и кустарниковая ива, преобладают на этих участках поймы иловато-болотные почвы.

Для флоры ХГПЗ заповедника обычно указывается 1196 видов высших цветковых растений (Цвелев, 1988). Разнообразие условий на территории заповедника определяет формирование здесь различных ландшафтов (рис. 6).

Лесных геосистемы Хоперского государственного заповедника обладают высшим классом геоэкологического значения, выполняя защитное берегозащитную, почвозащитную, водоохранную, кольматирующую и руслосберегающую роль. Проведенное исследование пространственной структуры дубравных геосистем, их территориальное размещение дубрав в пределах заповедника показало: в левобережной части поймы преобладание ранней разновидности дуба. Распределение площадей по породам и группам возраста и оценка состояния приводится в табл. 1.

Рис. 6. Картосхема ландшафтной структуры ХГПЗ(составлено автором)

Условные обозначения:

Пойменный тип местности. 1.Прирусловая пойма. 2.Урочища береговых валов, кос и ивняково-злаково-разностравное. 3.Урочища ложбинных понижений ветлово-вязово-тополиные. 4.Центральная пойма. 5.Дубравы ежевичные. 6.Дубравы крапивные на серых лесных почвах. 7.Осоково-мятликовые луга в сочетании с дубово-тополево-вязовыми участками на песчано-супесчаных почвах. 8.Урочища пологоволнистых поверхностей с дубово-вязово-осино-осокорно-ежевично-крапивными на серых лесных суглинистых почвах. 9.Урочища заболоченной поймы по межгривным понижениям. 10.Урочища полого наклонной поймы с дубравами ландышевыми на слабо аллювиальных глеевых супесчаных почвах. 11.Урочища дубравы ландышево-ежевично-крапивной на супесчано-суглинистых почвах. 12.Урочища дубравы ежевично-крапивной на глеевых аллювиальных почвах. 13.Урочища дубравы осоково-злаковой. 14.Урочища ольшаника ежевично-крапивного. 15.Урочища вырубок. 16.Урочища высокотравных лугов на пологоволнистой пойме на местах вырубок. 17.Урочища ивняково-дубовые луговые на ровных пойменных участках на луговых пойменных почвах в сочетании с осиново-серебристо-тополевыми урочищами. 18.Урочища дубравы ежевично-крапивно-злаковой на полупогребенных почвах центральной поймы. 19.Урочища высокопродуктивных зрелых дубрав центральной поймы в сочетании ландышевых и ежевично-крапивных на серых лесных почвах. 20.Урочища разнотравно-луговые в сочетании с дубравами на границе прирусловой и центральной поймы на пологогривистой поверхности. 21.Урочища старичных западин на тяжело-суглинистых и глинистых болотистых оглееных почвах. 22.Урочища ивняков в пределах западин. 23.Урочища сырых лугов на глеево-аллювиальных суглинистых почвах. 24.Урочища травяных болот на пойменно-лесных торфяных почвах. 25.Урочища ольшаников на глеево-аллювиальных почвах. 26. Урочища вязовые в сочетании с луговыми по берегам старичных озер. 27.Урочища лугово-ивняковые осинниковые на глеево-аллювиальных суглинистых почвах. 28.Дубравы разнотравно-луговые на пойменно-луговых почвах. 29.Урочища дубрав разнотравно-ежевичные на серых лесных почвах. 30.Урочища заросших озер стариц. 31.Урочища разнотравных луговых мелких западин. 32.Урочища ольшаников на болотах в притерассной пойме. Надпойменно-терассовый тип. 33.Урочища пырейно-разнотравной степи. 34.Урочища ковыльно-разнотравной степи. 35. Урочища сосняков на серых лесных почвах. 36.Урочища разнотравных лугов 37.Урочища бугристых песков полынно-чабрецовые. Склоновый тип местности. 38.Байрачные дубравы на серых лесных почвах. 39.Нагорные дубравы на серых лесных смытых суглинистых и глинистых почвах. 40.Дубравы снытьево-ландышевые на конусах выноса балок.

Таблица 1

Распределение площадей по породам и группам возраста (сост. автором)

№	Преобладающие породы	Общая пл. покрытая лесом, га	Возраст	Распределение по группам, га
Молодой	Средний	Приспевающий	Спелый
1	Дуб высокоствольный	4203	101	10	1130	1866	1197
2	Дуб низкоствольный	1894	81	0	220	378	1296

В дубравах позднораспускающейся фенологической разновидности, отмечено повышенное количество буреломных деревьев из-за сильных ветров в летний период за счёт деревьев с комлевой и стволовой гнилью. Оценка состояния дубрав в табл. 2.

Таблица 2

Оценка состояния дубрав по данным исследуемых площадок (сост. автором)

№	Характеристика усыхания										Показатели устойчивости
Отпад 2007 г.	Отпад 2008 г.	2007 г.	2008 г.
N07	G07	% отпада	N08	G08	% отпада	Pq07 Pn07	Pq07 Pн	Пу07	Pq08 Pn08	Pq08 Pн	Пу08
N07Nn	G07 Gn	Pn07 Pq07	N08Nn	G08 Gn	Pn08 Pq08
1	2	1617,7	0,8	0,7	1,14	1	254,5	0,4	0,1	4,00	0,88	1,46	0,95	0,25	0,21	0,26
2	3	3617,8	1,0	1,5	0,67	2	232,2	0,7	0,1	7,00	1,50	2,94	1,65	0,14	0,20	0,15
7	2	3771,0	1,7	2,9	0,59	2	1971,9	1,7	1,5	1,13	1,71	3,87	1,90	0,88	2,00	0,98
8	2	1516,5	1,4	1,5	0,93	1	1392,0	0,7	1,4	0,50	1,07	2,11	1,18	2,00	1,97	2,10

Усыхание более мелких деревьев второго яруса обеспечило сохранение «очень высокой» степени устойчивости (табл.3) По материалам учёта отпада в дубравах позднораспускающейся фенологической разновидности при небольшом его увеличении сохранилась «высокая» степень устойчивости при Пу07 = 0,96.