УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ - Студенческий научный форум

V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Шарапов Д.Н. 1
1ГБОУ ВПО МО «Международный университет природы общества и человека «Дубна»
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Оглавление

Введение. 3

Глава 1. Устойчивость экосистем.. 4

1.1 Виды устойчивости экосистем.. 4

1.2 Роль биологического разнообразия в устойчивости экосистем.. 5

1.3 Сукцессия, основные этапы и принципы.. 7

1.4 Устойчивость лесных экосистем в урбанизированных районах. 9

1.5 Устойчивость экосистем в России. 12

Глава 2. Методики определения устойчивости экосистем.. 15

2.1 Методы использования данных по скорости освобождения химических элементов из подстилки для диагностики устойчивости экосистем.. 15

2.2 Диагностика устойчивости экосистем по интенсивности процессов трансформации органического вещества 22

2.3 Методика расчета экологической устойчивости региональной территории. 27

Глава 3. Пример расчета экологической устойчивости региональной территории. 32

Заключение. 33

Список литературы.. 34

Введение

В наше время решение такой проблемы как устойчивости экосистем требует соотнесения характеристик стабильной жизнедеятельности экосистем с величиной оказываемого на них антропогенного воздействия (или же негативного природного). Не касаясь бесчисленного множества аспектов проблематики, стоит обратить внимание на такое свойство экосистем, как регенерация, то есть способность к восстановлению деформированных структур и функций. Это свойство находит выражение в процессах самоорганизации (самокоординации, саморегуляции, самовосстановления, самоочищения), которые следует рассматривать как важнейшие составляющее экологического потенциала.

Свойство регенерации может быть реализовано в полной мере только в экосистемах, имеющих определенные структуры и особенности вещественно-энергетических взаимосвязей с внешней средой. Природная эволюция для этого выстроила всю иерархию биосферы: от автотрофного мира фотосинтеза (продуцентов) до гетеротрофов различных уровней, питающихся произведённой органикой, разлагающих ее и снова возвращающих вещества на нижние ярусы продуцентов для возобновления жизненного цикла.

Это сложнейшая целостно взаимосвязанная структура каналов распределения биогенной энергии, потоков информации, ее координирующих и регулирующих течение процессов может быть нарушена при эксплуатации экосистем, выходящей за пределы их несущей емкости, в пределах которой экосистемы сохраняют жизнеспособность, продуктивность и свойства самовосстановления.

Определение пределов устойчивости экосистем - важнейшая и в то же время сложнейшая научная задача, решение которой дает возможность установить допустимую меру антропогенного вмешательства в природные системы и выработать императивные ограничения этого вмешательства. Для биосферы в целом суть проблемы устойчивости состоит в определении допустимого соотношения антропогенно освоенных эксплуатируемых территорий и естественных экосистем, способных осуществлять функции стабилизации параметров ее относительного гомеостаза. [8]

Глава 1. Устойчивость экосистем

Одним из важнейших показателей динамики экосистем является устойчивость. Определение устойчивости экосистемы - это способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после снятия внешнего воздействия, выведшего ее из равновесия. Также следует различать два вида устойчивости: резидентная устойчивость (стабильность) - способность оставаться в устойчивом (равновесном) состоянии под нагрузкой, и упругая устойчивость (собственно устойчивость) - способность быстро восстанавливаться при снятии нагрузки. В разных терминах имеются различные смысловые оттенки, которые нужно учитывать.

1.1 Виды устойчивости экосистем

Системы с высокой резидентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть практически не выходя за пределы равновесного состояния. Поэтому понятие упругой устойчивости для них не определено (если система не выходила за пределы равновесия, то как можно говорить о возвращении в равновесное состояние после снятия возмущения). Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система обычно разрушается. В технике подобное качество называется жесткостью. Предельные значения внешних воздействий, которые система способна выдержать без разрушения соответствуют запасу жесткости. Когда говорят о высокой резидентной устойчивости, то имеется в виду именно высокий запас жесткости данной системы. Это несколько отличается от понятия высокой стабильности, так как здесь в первую очередь внимание обращается на неизменность структуры. Тундра, например, обладает высокой стабильностью, но она очень ранима, у нее малый запас жесткости, то есть малая резидентная устойчивость. Экосистему тундры очень легко разрушить. Достаточно проехать вездеходу. Колеи, которые он оставляют за собой, сохраняются десятилетиями. Такие экосистемы по аналогии с техникой можно назвать хрупкими.

Системы с малой резидентной устойчивостью для нормального существования должны обладать высокой упругой устойчивостью. Они более чувствительны к внешним возмущениям, под действием которых они как бы "прогибаются", частично деформируя свою структуру, но после снятия или ослабления внешних воздействий быстро возвращаются в исходное равновесное состояние. При превышении пороговых воздействий такая система теряет устойчивость, то есть все дальше удаляется от состояния равновесия. Диапазон воздействий, которые может выдержать система без разрушения, в технике соответствует запасу упругости. Таким образом, степень упругой устойчивости можно оценить как упругостью, определяющей степень сопротивления внешнему воздействию и скорость возврата в исходное состояние после снятия воздействия, так и запасом упругости. В отличие от упругих систем, пластичные системы после снятия внешнего воздействия не возвращаются в исходное состояние, а приходят к какому-то другому равновесному состоянию. Так согласно точке зрения оппонентов теории моноклимакса, для экосистем характерно не одно, а несколько состояний равновесия (климакса). Таким образом, для пластичных экосистем характерна малая упругая и малая резидентная устойчивость.

Похоже на то, что резидентная и упругая устойчивости взаимоисключают друг друга, точнее, экосистеме трудно развивать оба вида устойчивости. Например, одни леса состоят из деревьев с толстой корой, обладающих повышенной резидентной устойчивостью к пожарам. Но если такой лес все-таки сгорит, то его восстановление, как правило, крайне проблематично. Напротив, многие леса очень часто горят (низкая резидентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость). Ориентация экосистем на один из видов устойчивости определяется, как правило, изменчивостью среды: при стабильных условиях экосистемы склонны к более высокой резидентной устойчивости, при изменчивых условиях предпочтение отдается упругой устойчивости.

1.2 Роль биологического разнообразия в устойчивости экосистем

Устойчивость экосистемы обеспечивается также биологическим разнообразием и сложностью трофических связей организмов, входящих в ее состав.

В богатых видами экосистемах у консументов есть возможность избирать разные виды пищевых объектов и в первую очередь - наиболее массовые. Если потребляемый пищевой объект становится редким, то консумент переключается на питание другим видом, а первый, освобожденный от пресса выедания, постепенно будет восстанавливать свою численность. Благодаря такому переключению поддерживается динамическое равновесие между пищевыми ресурсами и их потребителями и обеспечивается возможность их длительного сосуществования.

Таким образом, процесс саморегуляции экосистемы проявляется в том, что все разнообразие ее населения существует совместно, не уничтожая полностью друг друга, а лишь ограничивая численность особей каждого вида определенного уровня. Например, в лесу листьями древесных растений питаются несколько сотен видов насекомых, но в оптимальных условиях каждый вид представлен незначительным количеством особей, поэтому их общая деятельность не наносит существенного вреда лесным деревьям. Однако насекомые отличаются большой плодовитостью, и если бы отсутствовали ограничивающие факторы (неблагоприятные погодные условия, уничтожение хищными и паразитическими насекомыми, птицами, болезнетворными микроорганизмами и т. п.), то численность любого вида насекомых возросла бы очень быстро и привела бы к разрушению экосистемы. Следовательно, взаимоотношения типа хищник-жертва, паразит - хозяин взаимно сглаживают всплеск численности и стабилизируют экосистему.[10]

Важным фактором устойчивости экосистемы является генетическое разнообразие особей популяций. Изменение условий внешней среды может вызвать гибель большинства особей популяции, адаптированных к прежним условиям существования. Поэтому, чем более генетически разнородной является та или иная популяция экосистемы, тем больший шанс у нее иметь организмы с аллелями, ответственными за появление признаков и свойств, позволяющих выжить и размножаться в новых условиях и восстановить прежнюю численность популяции. Время, необходимое для восстановления популяции, будет зависеть от скорости размножения особей, так как изменение признаков происходит только путем отбора в каждом поколении.

Так, по данным российского ученого В. В. Мазинга, только в состав двух популяций березы (повислой и пушистой) входит 91 вид паразитических и 35 видов микоризообразующих грибов, 46 видов эпифитных лишайников, 7 видов эпифитных печеночников и 16 видов эпифитных лиственных мхов, 8 видов клещей, 574 вида насекомых, 8 видов птиц, 9 видов млекопитающих - всего 795 видов, не считая бактерий, простейших, водорослей, актиномицетов. Такие сложные природные экосистемы имеют собственные законы сложения, функционирования и развития. Длительность существования каждой экосистемы поддерживается, прежде всего, за счет общего круговорота веществ, осуществляемого продуцентами, консументами и редуцентами, и постоянного притока солнечной энергии. Именно эти два глобальных явления обеспечивают ей высокую способность противостоять воздействию постоянно меняющихся условий внешней среды. [11]

1.3 Сукцессия, основные этапы и принципы

Экосистему можно вывести из состояния равновесия многими способами. Обычно это бывает пожар, наводнение или засуха. После такого нарушения равновесия новая экосистема сама себя восстанавливает, и этот процесс носит регулярный характер и повторяется в самых разных ситуациях. На месте нарушения определенные виды и вся экосистема развиваются таким образом, что порядок появления этих видов одинаков для схожих нарушений и схожих ареалах. В этой последовательной смене одних видов другими и заключается суть экологической сукцессии.

Сукцессия (от лат. succеssio - преемственность, наследование) - последовательная и большей частью необратимая (редко циклическая) смена фитоценозов (биоценозов, биогеоценозов), преемственно сменяющихся на одной и той же территории в результате влияния внутренних (аутогенная, или автогенная сукцессия) и/или внешних (аллогенная сукцессия) факторов. В оптимальных условиях любая сукцессия заканчивается возникновением медленно развивающегося климаксового или узлового сообщества. Различают первичные (на субстратах, не затронутых почвообразованием) и вторичные сукцессии, происходящие на месте сформировавшихся биогеоценозов после их разрушения (в результате пожара - пирогенные сукцессии, сукцессии вырубки леса, засухи, эрозии, вулканического извержения и т.д.). Так же сукцессии различаются по заключительной стадии прогрессивные (существовавшее на данном месте коренное биотическое сообщество, которое по каким либо причинам было удалено (вырубка) полностью восстанавливается) и регрессивные (не завершаются конечным климаксом, коренная экосистема полностью исчезает (опустынивание).

Изучая сукцессию в экосистемах, экологи выделили три механизма ее действия:

  1. Содействие - появившиеся в новой экосистеме пионерные виды облегчают другим видам последующее заселение. Например, после отступления ледника первыми появляются лишайники и некоторые растения с поверхностными корнями - то есть виды, способные выжить на бесплодной, бедной питательными веществами почве. По мере отмирания этих растений происходит нарастание слоя почвы, что дает возможность укорениться поздним сукцессионным видам. Аналогично ранние деревья дают тень и убежище для ростков поздних сукцессионных деревьев.
  2. Сдерживание - когда, в некоторых случаях, пионерные виды создают условия, усложняющие или вообще делающие невозможным появление поздних сукцессионных растений.
  3. Сосуществование - когда пионерные виды могут вообще не оказывать на последующие растения никакого воздействия - ни полезного, ни вредного. [2]

Когда экосистема приближается к состоянию климакса, в ней, как и во всех равновесных системах, происходит замедление всех процессов развития. Это положение сформулировано в виде закона сукцессионного замедления: процессы, идущие в зрелых равновесных экосистемах, находящихся в устойчивом состоянии, как правило, проявляют тенденцию к снижению темпов. При этом восстановительный тип сукцессий меняется на вековой их ход, т.е. саморазвитие идет в пределах климакса или узлового сообщества. Например, восстановительная сукцессия темнохвойного леса в южной тайге может идти следующим образом. Сначала быстро меняется ряд луго-кустарниковых фаз с образованием березового или осинового леса. Затем может произойти либо замещение этого леса сосной, либо прямое вытеснение елью (в горной южной Сибири пихтово-кедровым лесом). Сосняк может составить узловое сообщество, и процесс смены пород резко затормозится, но в других случаях сосну относительно быстро вытеснят ель или пихтово-кедровый лес. Эти климаксовые образования отнюдь не лишены тенденции к развитию, но оно резко заторможено. Вековая сукцессия идёт по типу заболачивание - разболачивание или остепенение - расстепенение (по климатическим характеристикам, а не по доминирующему характеру растительности). Возможен и вариант образования вечной мерзлоты, и тогда темнохвойный лес в Сибири и на Дальнем Востоке будет медленно вытеснен лиственничным. В речных долинах Дальнего Востока может образоваться параклимакс из чозении. В таком случае процессы развития аналогично весьма замедленны. Из выше сказанного вытекает очевидный факт, что при хозяйственных мероприятиях учёт скорости естественных процессов будет обязателен.[2]

Эмпирический закон сукцессионного замедления является следствием правила Г. Одума и Р. Пинкертона, или правила максимума энергии поддержания зрелой системы: сукцессия развивается в направлении сдвига потока энергии в сторону увеличения ее количества, направленного на поддержание системы. В свою очередь это правило базируется на правиле максимума энергии максимума энергии в биологических системах, сформулированном А. Лоткой. Ещё одним из принципов экосистемы является такой принцип как «нулевой максимум», или минимизация прироста в зрелой экосистеме: экосистема в сукцессионном развитии стремится к образованию наибольшей биомассы при наименьшей биологической продуктивности. Немаловажным постулатом является принцип «сукцессионного очищения», или стабилизации и минимизации видового состава климакса: разнообразие стремится к пику на ранних или средних фазах сукцессии, а затем снижается в климаксе.[2]

1.4 Устойчивость лесных экосистем в урбанизированных районах

Городские экосистемы отличаются от всех видов внегородских (даже от т.н. «устойчивого хуторского ландшафта») не только предельной нарушенностью почвы и растительности, сильной обеднённостью фауны; в конце концов, даже климаксный бореальный или широколиственный лес есть мозаика пятен, представляющих собой нарушения на разных стадиях зарастания. Главное отличие в том, что в городе наблюдаются такие системные диспропорции, которые никогда не фиксируются в однотипных природных сообществах (с аналогичными почвенными условиями и растительностью).

Первая - это техногенная аридизация климата. Городские экосистемы - это не просто «острова» лесных, кустарниковых или травянистых биотопах, разделённые зданиями, сооружениями и коммуникациями. Город отличается тем, что растительные сообщества лесной зоны существуют в условиях, соответствующих положению на 200-300 км южнее, то есть зоне сухих степей и полупустынь.

Так, в исследованиях Э.Г. Коломыца выявлена общая тенденция урботехногенной аридизации лесных экосистем (исследовали экосистемы двух полигонов в низменном Заречном районе Нижнего Новгорода: 1) лесопарковый массив «Стригинской Бор» с достаточно высокой рекреационной нагрузкой и слабым загрязнением природных сред; 2) Сормовский городской парк культуры и отдыха, испытывающий сильное геохимическое воздействие от окружающих его промышленных предприятий и автотранспортных магистралей и также подверженный рекреации. Эталоном для сравнения послужил сосново-лесной участок заповедника «Керженский», находящийся в 50 км к северо-востоку от Нижнего Новгорода (Низменное Заволжье) в аналогичных геолого-геоморфологических и биоклиматических условиях.). [4]

Почвы Нижнего Новгорода по гидротермическому режиму и по однозначному сдвигу обменной кислотности в щелочную сторону приближаются к аридному (пустынно-степному) типу, в отличие от зональных дерново-подзолистых почв, что сопровождается их активным засолением. Совместное геофизическое и геохимическое техногенное воздействие вызывает общий кумулятивный эффект - экстразональное опустынивание природного комплекса. В первую половину лета температура почвы в Стригинском бору и Сормовском парке оказывается на 2-8°С выше, а влажность на 5-10% ниже, чем в Керженском заповеднике. Запасы влаги в метровом слое почвы оказались меньше в 1,5-3 раза - соответственно 60-100 мм и 40-160 мм по сравнению с 160-220 мм.

В спонтанных условиях этот гидротермический сдвиг отвечает меридиональному смещению территории города к югу на 200-300 км - от смешанно-лесной зоны в зону лесостепи. Наиболее существенные гидротермические сдвиги (температуры почвы на 6-8 0С, влажности на 25-35%, запасов влаги в слое 1 м на 200-300 мм) свойственны трансаккумулятивным и аккумулятивным геотопам. Происходит пространственное выравнивание локальных гидротермических полей, при одновременном росте их неупорядоченности, мозаичности.

На примере почв Автозаводского городского 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 предприятий ГАЗ только начиналась, в парке не было нейтральных и слабощелочных почв. Спустя 50 лет они составляли уже более 10% от общего количества обработанных нами образцов. Сдвиг рН составил в среднем 2% в год.

Техногенное подщелачивание почв снижает подвижность различных химических элементов и, следовательно, уменьшает их токсичность выступая механизмом устойчивости городской экосистемы. 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. В этом проявляется эффект отрицательной обратной связи в системе техника - природа, компенсирующей негативные для биоты процессы техногенеза.

Урботехногенная аридизация лесных экосистем отчетливо проявляется также в автотрофном биогенезе. Общая первичная продуктивность (Р) сосняков Керженского заповедника составляет 5,5-12,5 т/га в год, что лежит в диапазоне первичной продуктивности от средней тайги до луговых степей. В пределах города экстремальные значения Р падают в 4-5 раз, причем в отрицательных формах рельефа гораздо сильнее, чем в положительных. Поэтому разница в значениях продуктивности между типами МП существенно сглаживается. Происходит своего рода локальное выравнивание величин продукции лесных фитоценозов на фоне общего снижения интенсивности продукционного процесса.[4]

Сосняки Стригинского бора и Сормовского парка производят ежегодно в среднем 2,5-3,7 т фитомассы, а во многих случаях эти цифры снижаются до 1,3-2,0 т. Столь низкую продуктивность в естественных условиях имеют экосистемы крайне северных и крайне южных природных зон умеренного пояса - кустарничковые тундры, сухие степи и эфемерно-кустарничковые пустыни, а также сфагновые болота. Таким образом, общая первичная продуктивность лесных экосистем смешанно-лесной зоны, находящихся под прессом урбанизации, снижается до пустынно-сухостепного уровня, что и составляет важнейший функциональный признак их антропогенного опустынивания».[4]

Далее, лесные сообщества вне мегаполиса (уже сильно изменённые рекреацией и другими формами воздействия) организованы так, что характер растительности целиком определяется существующими формами рельефа (градиентами от водоразделов к пойме ручьёв и пр.), определяющими различия гидрологического режима и других условий среды вдоль соответствующих градиентов.

В городе эта зависимость растительности от форм рельефа и структуры ландшафта через гидрологию полностью разрушается, заменяясь зависимостью от антропогенных нарушений и антропогенного же «удобрения» территорий органикой, нитратами, фосфором, эти два фактора формируют градиенты, заменяющие ландшафтные.

Далее те же авторы: «сила влияния литогенной основы как исходного фактора природно-территориальной организации снижается почти в 2 раза. Не наблюдается сколько-нибудь однозначной приуроченности к формам микрорельефа и локальными типами влажности, температуры, морфологии почв, ценотических групп леса, мощности и массы лесной подстилки. Прямое влияние геоморфологических условий сохраняется лишь на типы биогеоценозов и их экологическими группами растительности, минуя параметры влажности почвы. Геоморфологический каркас в значительной мере теряет контроль над важнейшим функциональным параметром лесной экосистемы - увлажнением почв. [4]

Температура почвы утрачивает свои свойства индикатора состояния лесной экосистемы. Она больше не зависит от литогенных условий и влажности почв. Режимы влажности и температуры почвенных горизонтов все больше зависят от структурных характеристик лесопаркового фитоценозов подверженных прямому антропогенному воздействию. Происходит определенное выравнивание контрастов гидротермического режима почв между различными элементами микрорельефа, а в Сормовском парке температуры почвы вообще не зависят от типа местоположения.[4]

Одновременно в первый эшелон ландшафтных связей выходят ценотические группы лесных экосистем, которые наравне с факторами литогенной основы определяют всю систему межкомпонентных связей. Это вызвано глубокой антропогенной трансформацией напочвенного покрова в городских лесопарковых экосистемах: первоначальным олуговением травостоя и последующей заменой лесных и луговых видов сорной и рудеральной растительностью, которая оказывается почти не связанной с увлажнением почв. То есть буферные свойства почвы в городах дополняются и компенсируются буферными свойствами увеличивающейся биомассы рудеральной растительности, тем более что при умеренном нарушении природных сообществ запасы фитомассы резко возрастают.[1,3]

Процесс техногенной трансформации природного комплекса не ограничивается «расшатыванием» его моносистемной структуры. Наряду с этим развиваются определенные адаптивные механизмы, способствующие его выживанию в урбанизированной среде. Выявлены два таких механизма. Первый связан с преобразованием естественных ценотических групп леса (боровой, таежной, дубравной и др.) в антропогенные (лесную, лесолуговую, луговую, сорно-рудеральную). Этот процесс наиболее ярко выражен в понижениях микрорельефа, где суммарный эффект загрязнения почвы максимален и где поэтому напочвенный покров трансформируется в наибольшей степени - до бурьянистой стадии. Развитие сорно-рудеральной растительности сопровождается весьма резким снижением видового разнообразия травостоя и столь же заметным увеличением зеленой массы и ее годичного прироста, что вызывает общий рост продуктивности и соответствующее повышение индекса упругой устойчивости лесного фитоценоза.

Второй адаптивный механизм носит почти повсеместный характер и связан с повышением функциональной роли растительных группировок под пологом леса. В экстремальных условиях общей деградации древостоев происходит смещение оптимума функционирования городской лесной экосистемы с верхнего (древесного) яруса на нижние ярусы - подрост, подлесок и напочвенный покров, где резко возрастает доля ежегодно возобновляемой зеленой массы, способствующей повышению устойчивости всей экосистемы к техногенному загрязнению. Именно такие фитоценотические параметры, как высота и обилие подроста, подлеска и травостоя, предотвращают полный распад моносистемной организации лесного природного комплекса, сохраняя в той или иной мере всю сеть межкомпонентных связей. То есть в условиях города преимущественно деградируют древесный и травянистый ярус, но усыхание, уменьшение жизненности видов-средообразователей во всех городских лесах компенсируется повышенным развитием деревьев 2-го яруса, вроде клёна, липы, и бурным развитием кустарников вроде свидины, пузыреплодника, жимолости лесной и пр.[1,3]

1.5 Устойчивость экосистем в России

Уровень потенциальной устойчивости коренных экосистем России, то есть уровень устойчивости экосистем до их трансформации человеком, показан на следующей карте.

Максимум устойчивости приходится на лесостепь Европейской России, Предуралье и среднюю тайгу Сибири, к северу и к югу устойчивость систем снижается. Минимум в России наблюдается в арктических пустынях. Так, как в Россию заходит лишь самый край туранских пустынь, уровень их устойчивости еще достаточно высок.[9]

[http://www.sci.aha.ru/ATL/ra21b.htm]

Европейская лесостепь - сочетание дубрав и луговых степей - безусловно, в пределах России оптимальная зона жизни. Что касается Сибири, то отступление здесь максимальной устойчивости к северу, безусловно, связано с общей экологической молодостью здешней лесостепи. Напомним, что если в европейской лесостепи основной лесообразующей породой является дуб - порода климакса - завершающей стадии экологической сукцессии, то в Сибири его сменяет береза - пионерная порода, первая селящаяся на нелесных участках.

Высокий потенциал устойчивости коренных экосистем в самом общем виде определяет способность природной среды возвращаться к исходному состоянию в случаях как естественных (например, климатических), так и антропогенных воздействий. В этом качестве именно устойчивость экосистем задает ширину "коридора возможностей" для хозяйственного развития человеческой цивилизации, все формы которой способны изменять природу. Даже потеряв значительную часть своей площади, коренные экосистемы устойчивых типов продолжают обеспечивать неизменность режима природных циклов, продуцирования биомассы, утилизации вредных для живых организмов веществ. Эта особенность связана с оригинальной ролью почв - резервуаров "памяти" экосистемы - сохраняющих многие начальные качества экосистем даже после антропогенной трансформации территории. Подобные возможности устойчивых экосистем хорошо иллюстрирует карта нарушенности природных экосистем .

[http://www.sci.aha.ru/ATL/ra21b.htm]

На приведенной карте видно, что потенциальная устойчивость экосистем России практически всюду в той или иной степени снижена за счет замены коренных типов экосистем, менее устойчивыми антропогенными производными (агроценозами или вторичными лесами) или полным уничтожением при застройке и урбанизации. При этом максимальные по площади воздействия характерны именно для районов с самыми устойчивыми природными комплексами. В России говорят: "Кто везет, на того и валят". Устойчивые экосистемы южной тайги и лесостепи России сохраняли возможность достаточно автономного, без подпитки со стороны, развития индустриальной цивилизации последних полутора веков, несмотря на максимальную утрату природных комплексов. [9]

Глава 2. Методики определения устойчивости экосистем

2.1 Методы использования данных по скорости освобождения химических элементов из подстилки для диагностики устойчивости экосистем

Предложена методика оценки устойчивости ареалов по качественным и количественным показателям малого биологического круговорота, в том числе интенсивности высвобождения химических элементов из подстилки. Именно эта величина отражает скорость закрепления химических веществ в подстилке и возможность перемещения химических веществ по почвенному профилю. Показано, что запасы подстилки и скорость высвобождения химических элементов из мертвых растительных остатков коррелируют с данными по соотношению гуминовых и фульвокислот в почвах, т.к. являются результатом высвобождения химических элементов из органического вещества подстилки.

Представление о том, что повышение устойчивости экосистем путем стабилизации биогеохимических круговоротов является основным эволюционным преобразованием, приобрело в последнее время достаточно широкое распространение, однако балансы этих круговоротов учитываются совершенно недостаточно.

Для понимания причин устойчивости современных экосистем и пределов допустимых антропогенных воздействий в них важно исследование процесса формирования в ходе эволюции устойчивых круговоротов вещества и энергии в экосистемах, поддержание в них балансных отношений, раскрытие схем, поддерживающих устойчивость. Во всех этих проблемах весьма существенным может быть вклад исследователей, располагающих огромным количеством фактов, которые описывают функции отдельных элементов экосистем, определяющих устойчивость. Основным из подобных элементов является мертвое органическое вещество подстилки.

Для подстилки как системы характерны целостность, структурная организация, функционирование и история. Подстилка как подсистема почвенной системы находится в тесной связи с другими подсистемами почвы и выполняет определенную функцию системы. С точки зрения системной организации подстилка представляет собой горизонтный структурный уровень.

Итак, подстилку как биокосное образование можно рассматривать с разных позиций - как часть почвенного профиля, или подсистему почвенной системы, как самостоятельное биогеноценотическое тело (как систему) и как компонентное связующее звено в системе биогеоценозов. Каждый конкретный подход в зависимости от целей и задач исследования должен быть направлен на познание механизма интеграции с другими природными образованиями (фитоценозом, минеральными горизонтами почв и т.д.) на основе взаимосвязей и взаимодействия.

В геохимическом отношении подстилка рассматривается как поверхностный радиальный почвенно-геохимический (сорбционный, седиментационный, механический) микробарьер, в пределах которого резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов и как следствие происходит их концентрация. В органогенных горизонтах происходит биогенная накопительная концентрация углерода, азота, зольных элементов, а также минеральных частиц, привнесенных ветром, водой и в результате роющей деятельности почвенных животных.

Генетическая сущность связи подстилки и растительности заключается в том, что последняя определяет качественный состав (содержание азота, зольных элементов, фракционный состав опада и т.д.) детрита. Содержание углерода, азота и минеральных веществ в подстилке изменяется в зависимости от фракционного состава и степени ее разложения. Подстилка содержит меньше углерода, чем растительный опад. Часть его теряется при выщелачивании водорастворимых углеводов, часть выделяется в форме СО2 при разложении растительных остатков. Поэтому углерода в подстилках содержится 25...40 % .[6]

По данным В.А. Ковды, в хвойно-моховом лесу образуется обильная лесная подстилка, вес которой достигает 20...70 т/га, а иногда и 100 т/га. Подстилка содержит до 1 000...3 600 кг/га минеральных веществ и до 500...800 кг/га азота. Из хвои и листьев очень легко выносятся водами соединения калия и азота, медленнее - соединения фосфора, серы, магния. Кальций, кремнезем и полуторные окислы дольше всего сохраняются в разлагающемся опаде и в подстилке.

Величина потока зольных элементов и азота из подстилок характеризует интенсивность круговорота в различных экосистемах.

Скорость высвобождения химических элементов позволяет считать химический состав подстилки и интенсивность высвобождения химических элементов факторами, позволяющими определить устойчивость экосистем.

Однако имеющиеся сведения о влиянии этих показателей на устойчивость зональных плакорных и интразональных типов растительности являются недостаточными, т.к.:

- отсутствует анализ данных по содержанию химических элементов в подстилке и влиянию интенсивности освобождения химических элементов на устойчивость экосистем;

- не существует методики оценки качественных и количественных показателей малого биологического круговорота для диагностики устойчивости экосистем;

- отсутствует методика, позволяющая использовать данные по количеству химических элементов, соотношению C/N, отношению углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот для оценки устойчивости биогеоценозов для дальнейшего решения вопросов рационального природопользования.

Разработанная методика оценки устойчивости ареалов по качественным и количественным показателям малого биологического круговорота предусматривает следующие обязательные операции.

1. Анализ экспертных данных, позволяющих выделить количественные и качественные показатели малого биологического круговорота, которые влияют на устойчивость ареалов. Использовались экспертные данные ведущих ученых географов, экологов, почвоведов. Выделены следующие показатели: химический состав подстилки и опада, интенсивность высвобождения химических элементов, соотношение гуминовых и фульвокислот (Сгк/Сфк), период биологической активности (ПБА, дни); интенсивность и характер биологического круговорота.

2. Характеристика морфофизиологических особенностей малого биологического круговорота в ареалах с известными запасами подстилки по следующим параметрам:

- характеристика запасов подстилки и наземного опада в ареале и преобладающие виды растительности;

- динамика органического вещества в ареалах;

- накопление органических остатков в подстилке и их химизм;

- общие черты почвенно-биологических процессов;

- оценка характера и скорости малого биологического круговорота, а также интенсивности высвобождения химических элементов из подстилки и устойчивости ареала.

3. Создание шкалы числовых показателей, содержащих химические элементы в подстилке и почвенных профилях для диагностики устойчивости ареала:

- унификация количественных и качественных показателей биологического круговорота для определения устойчивости ареала и составление шкалы числовых показателей;

- классификации типов устойчивости;

- описание количественных и качественных показателей, характеризующих каждый балл устойчивости;

- создание наглядных диагностических графических схем, показывающих особенности каждого ареала.

Исходя из сведений, приведенных в различных экспертных источниках, данные по биологическому круговороту могут использоваться для диагностики устойчивости экосистем. Такими данными являются количественные показатели, характеризующие интенсивность освобождения химических элементов из мертвых органических остатков, т.е. отношение количества химических элементов в подстилке и зеленой части опада.

Химические элементы, содержащиеся в опаде, могут (в соответствии с различной интенсивностью процессов разложения органических остатков) задерживаться в подстилке или степном войлоке на более или менее продолжительное время.

Вопросы малого биологического круговорота, интенсивности высвобождения химических элементов из мертвых растительных остатков и формирования почвенного профиля рассматривались по различным методикам. Однако эти данные не являются достаточно полными и вполне сравнимыми, т.к. объектами исследований оказывались растительные сообщества и экосистемы различных стран. Таким образом, следует считать, что оперируется в значительной мере выборочными данными, которые позволят оценить роль химического состава подстилок в поддержании устойчивости биогеоценозов. «Экологические системы и приборы №4 2007г»

По экспертным данным, наибольшее количество химических элементов в соответствии с максимальной величиной подстилки содержится в подстилке кустарничковых тундр (ареал с запасами подстилки 849 ц/га) - 4 200 кг/га и сосняков и ельников средней тайги (ареал с запасами подстилки 329 ц/га) - 1 700...2 200 кг/га, количество это возрастает при заболачивании (ареал с запасами подстилки 1 414 ц/га).

В ареале широколиственных лесов умеренного пояса с запасами подстилки 151 ц/га и зоны черноземных степей с запасами подстилки 121 ц/га сумма химических элементов отличается незначительно (в пределах 800...1 500 кг/га). Это объясняется тем, что хотя в лиственных лесах подстилки накапливается меньше, но ее зольность выше.

В субтропических лесах с запасами подстилки 101 ц/га количество химических элементов в подстилке - порядка 600 кг/га, а во влажных тропических лесах при незначительной подстилке (19,2 ц/га) - менее 200 кг/га. Такого же порядка количества химических элементов в степном войлоке умеренно засушливых степей ареала с запасами подстилки 12,8 ц/га. В саваннах (ареал с запасами подстилки 16,3 ц/га) и сухих степях (12,8 ц/га) в подстилке содержится химических элементов меньше всего - от 16...70 кг/га.

В табл. 1 приведены данные по количеству химических элементов в подстилке и опаде, а также расчетная величина интенсивности высвобождения химических элементов.

Данные табл. 1 наглядно показывают, что с увеличением органического вещества опада особенно быстро нарастает количество химических элементов в ареале пустынь и сухих степей, постепенно снижаясь в ареалах саванн и влажных тропических лесов, тогда как в кустарничковых тундрах и сфагновых болотах соответствует 50...100 кг/га. Таким образом, количество химических элементов, поступающих с ежегодным опадом, обратно пропорционально массе опада. [6]

 

Таблица 1. Количество химических элементов в подстилке и опаде и расчетная величина интенсивности высвобождения химических элементов по экспертным данным

Ареал, запасы подстилки, ц/га

Количество химических элементов в подстилке, кг/га (по экспертным данным)

Количество химических элементов в опаде, кг/га (по экспертным данным)

Интенсивность высвобождения химических элементов

2,6

<50

>5 000

>0,001

12,8

50

5 000

0,01

16,3

50...100

1 500...5 000

0,03...0,02

19,2

100...200

800...1 500

0,12...0,1

33

200...300

500...800

0,2...0,4

101

300...750

350...500

1...1,5

121

750...2 000

25...350

3...7

151

2 000...5 000

150...250

200...600

329

5 000...10 000

100...150

600...600

849

10 000...25 000

50...100

2 000...2 500

1 414

>25 000

<50

5 000

[6]

Данные таблицы отражают пропорциональную зависимость количества мертвых растительных остатков от химических элементов, т.е. при увеличении запасов подстилки количество химических элементов увеличивается.

Для расчета интенсивности высвобождения химических элементов нами использовались данные по количеству химических элементов в опаде и подстилке. Анализ полученных данных, отражающих интенсивность высвобождения химических элементов, показывает, что все ареалы, которым соответствуют определенные типы растительности, располагаются в следующий ряд (по нарастанию): 1 414 ц/га (сфагновые болота), 849 ц/га (кустарничковые тундры), 329 ц/га (сосняки, ельники), 33 ц/га (арктические тундры), 151 ц/га (березняки, широколиственные леса), 121 ц/га (степи), 101 ц/га (субтропические леса), 19,2 ц/га (влажные тропические леса), 16,3 ц/га (саванны) и 2,6 ц/га (пустыни).

Относительная величина интенсивности высвобождения химических элементов из мертвых растительных остатков может служить одним из количественных показателей, отражающих роль подстилки в устойчивости биогеоценозов. Именно он отражает скорость закрепления химических веществ в подстилке и возможность перемещения химических веществ по почвенному профилю.

Исходя из сказанного ясно, что запасы подстилки и скорость высвобождения химических элементов из мертвых растительных остатков коррелируют с данными по соотношению гуминовых и фульвокислот в почвах, т.к. являются результатом высвобождения химических элементов из органического вещества подстилки.

В свою очередь, гумусное состояние почв, является функцией ПБА.

Таблица 2. Показатели запасов подстилки, соотношения углерода, гумусовых кислот к углероду фульвокилост и ПБА в ареалах в ареалах по экспертным данным

Ареал, запасы подстилки, ц/га

Сгк/Сфк

ПБА,дни

2,6

0,7

0...60

12,8

1,0

120...180

16,3

0,8...1,2

60...180

19,2

0,3...0,5

365

33

0,5

0...60

101

0,25...0,5

180...210

121

2

150...175

151

0,9...1,7

125...145

329

0,2...0,7

70...110

849

0,3...0,5

30...90

1 414

0,6...0,8

90...120

[6]

Показано, что минимальные запасы подстилки (2,6 ц/га) и краткий ПБА в пустынных сообществах приводит к формированию почвенных профилей с преобладанием слабоконденсированных фракций фульвокислот.

Преобладание фульватного типа гумуса характерно также для ареалов влажнотропических лесов (19,2 ц/га) и саванн (16,3 ц/га), где ПБА достигает 365 дней в году.[6]

Ограниченность данных по содержанию С/N в профилях почв в ареалах с известными запасами подстилки не позволяет сделать выводов об имеющейся зависимости соотношения С/N в почвенном профиле от интенсивности высвобождения химических элементов. Однако, исходя из экспертных данных, это соотношение обратно пропорционально количеству мертвых растительных остатков в экосистемах, можно сделать вывод о том, что чем выше запасы подстилки, тем большее количество химических элементов накапливается в ней и тем меньше соотношение C/N.[6]

Анализ данных, отражающих накопление химических элементов в подстилке и наземном опаде, а также позволяющих оценить количественный и качественный состав химических элементов в мертвых растительных остатках, показал, что существуют несколько основополагающих зависимостей.[6]

Максимальное количество химических элементов в подстилке соответствует минимальным показателям в опаде (ареалы с запасами подстилки 329, 449, 1 414 ц/га), и расчетная величина интенсивности высвобождения химических элементов является наибольшей. Это свидетельствует о довольно невысокой устойчивости ареала, т.к. значительная часть химических веществ выносится за пределы почвенного профиля, гумусовый горизонт сформирован преимущественно фульвокислотами, соотношение С/N минимальное. Этому способствует ограниченный период в течение года, когда в почве существуют благоприятные для нормальной вегетации растений и жизнедеятельности почвенной биоты условия. [6]

Невысокая устойчивость экосистем характерна как для ареалов с минимальными запасами подстилки (2,6, 12,8 ц/га), так и для ареалов с максимальными запасами подстилки (329, 849, 1 414 ц/га), что свидетельствует о сложной взаимосвязи между мертвым органическим веществом подстилки и содержании химических элементов в подстилке, опаде, почвенном профиле. Ведь в экосистемах с преобладанием пустынных и степных сообществ количество химических элементов в опаде во много раз превышает этот показатель в подстилке, а скорость освобождения снижается в десятки, даже сотни раз. Однако и в этом случае, устойчивость биогеоценоза остается невысокой благодаря тому, что незначительное количество химических веществ очень быстро вымывается из подстилки, практически не задерживаясь в почвенном профиле. Таким образом, не создается буфера химических элементов и энергии и экосистема оказывается слабо защищенной практически от любых внешних воздействий.[6]

Оптимальным запасом прочности обладает ареал черноземных луговых степей, в котором количество химических веществ в опаде в несколько раз ниже, чем тот же показатель в подстилке. Интенсивное высвобождение химических элементов из подстилки (низкое по сравнению с таежными ареалами и высокое по сравнению с пустынными), сезонная динамика климатических условий (ПБА - 150...175 дней) приводит к тому, что продукты гумификации в основном представлены высокомолекулярными перегнойными кислотами - преимущественно гуминовыми кислотами второй фракции. В ареале, таким образом, в подстилке и, благодаря выносу из нее химических элементов, гумусовом горизонте формируются буферные зоны, призванные обеспечить устойчивость экосистемы в случае внешнего воздействия климатических, антропогенных и других факторов [6].

2.2 Диагностика устойчивости экосистем по интенсивности процессов трансформации органического вещества

Для определения интенсивности процессов трансформации (разложения) органического вещества подстилки и других органогенных горизонтов в ареалах с известными запасами подстилки, как критерия устойчивости экосистем, предложена методика, позволяющая оценить интенсивность разложения мертвых растительных остатков, содержащихся в подстилке ареалов, и разработать шкалу устойчивости ареалов по величине подстилочно-опадного коэффициента (ПОК).[7]

Для выяснения устойчивости и прогнозирования изменений ее состояний используются показатели биогеохимического круговорота в экосистемах суши, которые можно оценить с помощью системы вещественно-энергетических параметров, отражающих процессы накопления мертвых растительных остатков и их трансформации.

Скорость разложения мертвого органического вещества подстилки и войлока может служить критерием, определяющим устойчивость биогеоценоза и позволяющим определить качественные и количественные показатели малого биологического круговорота. [7]

В некоторых исследованиях для характеристики детритной ветви круговорота используются данные по величине ПОК (отношение массы лесной подстилки или степного войлока к величине наземного опада (1, 2, 3, 4). Этот индекс выражается в числах лет, необходимых для накопления массы лесной подстилки (или ветоши) при имеющихся скоростях ежегодного поступления в опад и последующего разложения органического вещества.

Подстилочно-опадный коэффициент используется при изучении структурно-функциональной организации природных экосистем и по существу является показателем экологической эффективности их почвенно-фитоценотического ядра. Этот параметр служит мерой начальной обеспеченности продвижения органического вещества (и энергии) по всей трофической цепи, и, следовательно, является показателем работы растительного вещества по устойчивому функционированию экосистемы.[7]

В исследовании использовался вариант расчета ПОК по работе, т.к. он позволяет использовать имеющиеся данные по запасам подстилки и величине наземного опада в 330 пунктах. [7]

Для определения интенсивности процессов трансформации (разложения) органического вещества подстилки и других органогенных горизонтов в ареалах с известными запасами подстилки, как критерия устойчивости экосистем, предложена методика, позволяющая оценить интенсивность разложения мертвых растительных остатков, содержащихся в подстилке ареалов, и разработать шкалу устойчивости ареалов по величине ПОК. Методика позволяет решить поставленную задачу, используя экспертные данные и математические методы.

Предложенная методика состоит из следующих этапов.

- Используя данные о пунктах с различными запасами лесной подстилки (степного войлока) и величине наземного опада в них, полученные из материалов экспертов - ведущих ученых географов, экологов, почвоведов, построена таблица и произведен расчет ПОК (годы).

- Построение кривой зависимости запасов подстилки от величины ПОК, позволяющей оценить степень влияния интенсивности разложения мертвых растительных остатков на формирование органогенных горизонтов.

- Характеристика интенсивности разложения мертвых растительных остатков в ареалах в зависимости от морфофизиологических условий их расположения.

- Создание шкалы устойчивости ареалов, используя данные о величине ПОК в экосистемах с известными запасами подстилки.

В основе разработанной методики лежат данные по запасам подстилки и величине наземного опада в 330 пунктах, расположенных в различных экосистемах земного шара. Они получены по литературным источникам и материалам ведущих ученых.

Результаты расчетов и анализ карты и кривых распределения показал, что наибольшая величина этого индекса для зональных плакорных сообществ характеризует кустарничковые тундры - 92 (в интразональных сообществах лесных сфагновых болот указанное соотношение превышает 100), потом идут сосняки южной тайги - 17,15,10, соответственно, в березняках - 7, в широколиственных лесах - 34, в степях - 1 - 1,5, в субтропических лесах - 0,7, а во влажных тропических лесах выражается ничтожной величиной - 0,1. [7]

Максимальная интенсивность разложения растительных остатков наблюдается в ареале кустарничковых тундр и лесотундр с запасами подстилки 121...1 017 (среднее значение запасов подстилки в реале - 849 ц/га). Незначительная величина наземного опада (9 ц/га) наряду с невысокой теплообеспеченностью (сумма активных температур 300...500 оС/год, средняя температура самого теплого месяца 11...14 оС) ограничивают деятельность напочвенных редуцентов и приводит к ослаблению интенсивности разложения мертвых растительных остатков, замедленному освобождению вещества и энергии.[7]

В интразональных сообществах (сфагновые болота) интенсивность разложения растительных остатков снижается до минимальных величин, следствием чего являются максимальные запасы подстилки на суше.

Таким образом, уровень устойчивости ареалов кустарничковых тундр и сфагновых болот Западной Сибири можно считать очень высоким.

Скорость разложения растительных остатков в ареале с запасами подстилки 329 ц/га зависит в первую очередь от массы и состава опада. По некоторым данным, общие потери массы подстилки при разложении в сообществах средней тайги равны 29...32, северной - 20...25 %. Для этого ареала характерен замедленный тип разложения-минерализации растительного опада, что обусловлено, в свою очередь, относительно большой ролью сосущих корней в подстилке и их физиологической активностью при низких положительных температурах.

Устойчивость хвойных биогеоценозов к условиям Севера в значительной мере определяется своеобразной ролью лесной подстилки. Большие запасы элементов питания и энергии в ней, в несколько раз превышающие ежегодную потребность фитоценоза, очевидно необходимы для успешного функционирования еловых и сосновых экосистем в условиях Севера.

Интенсивность разложения растительных остатков (от 34 до 1, 5) отмечается для ареала широколиственных лесов с запасами подстилки 151 ц/га и зоны лесостепей с запасами подстилки 121 ц/га. [7]

Соотношение тепла и влаги в ареалах с запасами подстилки 54...186 ц/га оптимально для сезонной активности редуцентов, благодаря достаточно длительному периоду биологической активности. Накоплению в виде подстилки подвергаются в основном растительные остатки, поступающие в опад зимой, так называемый «осенне-весенний» опад (слабо разлагающиеся древесные части, многолетние растения), поэтому скорость разложения и минерализации наземного опада неодинакова в разные сезоны: максимальна в летний период (однолетние растения), минимальна - в зимний. Эти положения свидетельствуют о том, что интенсивность разложения меняется в течение всего года в зависимости от сочетания климатических (гидротермический фактор) и косвенных (деятельность редуцентов) параметров.

Надо учитывать также, что лесостепь, по мнению многих исследователей, по своему богатству, разнообразию и устойчивости следует признать наиболее сложившимся и древним зональным типом, степные и лесные сообщества - дериватами лесостепи, не успевшими еще дифференцироваться в достаточной степени в силу возраста и условии. Будучи ареной длительных и конкурентных отношений древесно-лесных и травянисто-степных сообществ, лесостепь прошла достаточно длительный путь с выработкой определенных механизмов устойчивости. [7]

Это позволяет сделать вывод о том, что при «сезонной» интенсивности разложения растительных остатков ареал характеризуется высокой устойчивостью.

Максимальная интенсивность разложения мертвого органического вещества (менее единицы) отмечена в ареалах с запасами подстилки <60 ц/га, которые в аридном, жарком гумидном климате и в высоких широтах (выше Северного Полярного круга).

В аридном климате (степь типичная, засушливая, субтропическая; полупустыни и пустыни умеренного, субтропического и тропического поясов) высокие величины ПОК определяются тем, что в условиях крайне недостаточного увлажнения, высокой теплообеспеченности, короткого периода биологической активности активная деятельность редуцентов подвергает разложению и минерализации практически весь незначительный наземный опад.[7]

В высоких широтах в ареале типичных тундр и полярных пустынь с запасами подстилки 33 ц/га высокие скорости разложения мертвых растительных остатков определяются суровыми арктическими условиями: теплообепеченностью - ниже 300 оС/год;

радиационным балансом - от +20 до -10 ккал´см´год; температурой самого теплого месяца - от < 5 до 14 оС. Благодаря низкой численности редуцентов, ограниченности периода их жизнедеятельности наряду с незначительной величиной опада интенсивность разложения достигает максимальных величин в короткий период биологической активности, ограниченный 50 днями в году.[7]

В жарком гумидном климате в ареалах тропических лесов и саванн с запасами подстилки 16,3...19,2 ц/га индекс подстилочно-опадного коэффициента максимальный на суше. Наиболее динамичным разложением органического вещества подстилки ареалы обязаны сочетанию гидротермических условий (ареал не имеет ограничения из-за избытка тепла, избыточному увлажнению) и деятельности редуцентов, которые активны в течение всего года равного периоду биологической активности и которые подвергают разложению и минерализации практически весь наземный опад. Следовательно, уровень устойчивости ареалов с показателем ПОК ниже 1,0, можно считать очень низким, т.к. основной энергетический и пищевой ресурс экосистемы - подстилка - очень мал и не может обеспечить высокий уровень потенциальной устойчивости ареалу.

Для обеспечения возможности использования данных по интенсивности разложения мертвых растительных остатков, характеризующейся индексом ПОК, для диагностики устойчивости экосистем данные сведены в шкалу числовых показателей. Каждый балл этой шкалы имеет определенные количественные значения подстилочно-опадного коэффициента и запасов подстилки в основных экосистемах суши (таблица). На основе этой шкалы можно определить устойчивость биогеоценоза и применяя методы рационального природопользования, оптимизировать народнохозяйственную деятельность в регионе. [7]

Наименьший балл устойчивости - единица характерен для экосистем, условия формирования которых определяются крайними (противоположными) показателями интенсивности разложения растительных остатков, а также гидротермическими и другими показателями (величина наземного опада, численность редуцентов), влияющими на интенсивность разложения мертвых растительных остатков.

Максимальный показатель ПОК отмечен для зональных (кустарничковая тундра) и интразональных типов (сфагновые болота Западной Сибири) растительных сообществ, интенсивность разложения в которых сильно заторможена из-за неблагоприятных условий для деятельности редуцентов.

Минимальная интенсивность показана для экосистем влажных тропических и субтропических лесов и саванн, а также для арктических пустынь и пустынь умеренного, субтропического и тропического поясов. В этом случае мы наблюдаем обратное: интенсивность разложения мертвого органического вещества очень высока, благодаря сочетанию гидротермического фактора, величины наземного опада и деятельности редуцентов.[7]

Состояние ареала с запасами подстилки 329 ц/га оценено низким баллом устойчивости - 2, что обусловлено, главным образом тем, что интенсивность разложения растительных остатков, по сравнению с лесотундрами резко увеличивается благодаря

удлинению периода биологической активности, показателям наземного опада и численности редуцентов.[7]

Средний уровень устойчивости биогеоценозов - 3 балла отмечен для экосистем широколиственных лесов, дубрав и бучин, в которых проявляется сезонность деятельности редуцентов и разложения опада.

Максимальный уровень устойчивости - 4 балла характерен для зоны лесостепей, подстилочно-опадный коэффициент которой близок к оптимальным величинам. Именно здесь интенсивность разложения органических веществ, благодаря деятельности подстилочной биоты, приобретает сезонный характер: снижается в зимний период времени и увеличивается - в летний, что обусловлено условиями теплообеспеченности и увлажнения.[7]

Важная и во многом приоритетная роль подстилки в малом биологическом круговороте обусловлена тем, что у природных экосистем выработан «...механизм процесса полной гетеротрофной утилизации от процессов их созидания». Благодаря этому подстилка (или ветошь) и другие органо-минеральные горизонты почвы служат своего рода кладовой необходимых питательных соединений для растений, а интенсивность разложения подстилки, определяемой величиной подстилочно-опадного коэффициента, может служить для диагностики устойчивости биогеоценоза. Если атмосфера и фитосреда именуются как обменный фонд экосистемы, то лесная подстилка служит ее резервным фондом, обеспечивающим стабильность функционирования экосистемы.[7]

Таблица 3. Шкала определения устойчивости по величине ПОК

Балл устойчивости

Подстилочно-опадный коэффициент, расчетная величина, год

Запасы подстилки, ц/га

1

92 (100)

менее 1

848 (1 414)

2,6; 16,3; 19,2; 33; 101

2

10...20

329

3

4...7

151

4

1,5...3,5

121

[7]

2.3 Методика расчета экологической устойчивости региональной территории

Экологическая устойчивость региональной территории (ЭУРТ) должна определяться по размерам и характеристике элементов положительного и отрицательного воздействия на окружающую среду. Имеющиеся данные по теоретическому подходу к определению оценки экологической устойчивости региональной территории показывают, что эту оценку можно устанавливать различными методами.
Рассмотрим метод определения коэффициента, отражающего уровень такой оценки, ЭУРТ с использованием качественных и количественных показателей, характеризующих биологические и абиотические элементы региональной территории.

Существует подход к определению ЭУРТ, который базируется на соотношении площадей, занятых различными элементами с учетом положительного и отрицательного воздействия их на окружающую среду. В этом случае, коэффициент экологической устойчивости региональной территории (Кэурт) можно представить в виде следующей формализованной модели

Кэурт1 = (1)

где Sni- площади, занимаемые элементами положительного i-го воздействия на окружающую среду, (км2 или га); Smj- площади, занимаемые элементами отрицательного j-ого воздействия на окружающую среду (км2 или га).

К элементам положительного воздействия на окружающую среду можно отнести площади, занятые естественной растительностью, леса, луга, степи, холмы, их комбинированные разновидности, водные объекты, заповедники, заказники и т.п., оказывающие положительное влияние на региональную территорию.[5]

К элементам отрицательного воздействия на окружающую среду можно отнести площади, занимаемые различными элементами природопользования: населенными пунктами, обычными постройками, дорожной сетью; открытыми карьерами и местами добычи полезных ископаемых; рекультивируемыми карьерами; полигонами отходов и неорганизованными свалками; территориями рубок леса главного пользования; пахотными землями; животноводческими фермами; стационарными территориями служб ремонта и эксплуатации машин и механизмов; территориями, занятыми складскими помещениями удобрений, ядохимикатов и нефтехранилищ; крупными военизированными формированиями; рекреационными и другими объектами, оказывающими в различной мере отрицательное экологическое влияние на региональную территорию. [5]

По зависимости (1) можно получить величины Кэурт1, стремящиеся к бесконечности, например, при малых величинах территорий, занимаемых элементами отрицательного воздействия на окружающую среду, а при приближении этого значения к нулю зависимость также не имеет смысла. [5]

Предложенный в данной методике обобщающий показатель экологической устойчивости региональной территории в виде (Кэурт) - отражающий уровень соотношения между природным состоянием окружающей природной среды (ОПС) и величиной техногенной нагрузки. В этом случае, трансформируя на вышеприведенные обозначения, полученную в работе зависимость можно записать в следующем виде:

Кэурт= К (2)

где К - региональный коэффициент, учитывающий природно-климатические и другие особенности рассматриваемого региона, влияющие на его экологическую устойчивость.

Оценка природного состояния ОПС производится по сумме средневзвешенных оценок характерных природных субъектов (леса, луга, степи, холмы, их разновидности и др.)

(3)

гдеδi - комплексный оценочный балл состояния природного субъекта (например, очень низкий - 0,5; низкий - 1,0; ниже среднего - 1,5; средний - 2,0; выше среднего - 2,5; высокий - 3,0; очень высокий - 3,5; исключительно высокий при - 4,0-4,5; n - количество характерных природных субъектов; Si - площадь характерного естественного природного субъекта. [5]

Показатель техногенной нагрузки устанавливается по сумме оценок уровней техногенного воздействия различных хозяйственных объектов равен

(4)

где δнj - комплексный оценочный балл техногенного воздействия рассматриваемого объекта хозяйственной деятельности (например, ориентировочно можно принять: очень высокий - 1,2; высокий - 0,7-1,19; средний - 0,4-0,69; низкий - 0,2-0,39; очень низкий - 0,05-0,19; нормальный - < 0,05). Возможны их промежуточные значения, полученные с помощью интерполяции этих величин, требующих дальнейшего изучения и уточнения. m - количество комплексных техногенных объектов; Sнj- площадь территории техногенного воздействия, охватываемая комплексным объектом хозяйственной деятельности. При этом площадь, занятая характерными природными субъектами и объектами техногенного воздействия должна быть равна общей площади рассматриваемого региона.[5]

С учетом вышеизложенного, обобщающий показатель экологической оценки может быть вычислен по формуле

(5)

В зависимости (5) не учитывается значимость отрицательного и положительного воздействия вышеперечисленных факторов на окружающую среду, то есть не учитывается их экологическая значимость. Для учёта значимости отрицательного и положительного воздействия вышеперечисленных факторов их, прежде всего, надо ранжировать.
Однако биотехнические элементы региональной территории влияют на ее устойчивость не в одинаковой степени. Так, например, площадь, занятая под жилыми постройками и промышленными предприятиями, оказывает разное отрицательное влияние на окружающую среду из-за своих качественных характеристик. Поэтому, для оценки этого характера влияния представляется необходимым учитывать не только занимаемую площадь территориальными элементами, но и их внутренние свойства и качественное влияние.[5]

Для оценки экологической устойчивости региональной территории с указанных позиций принимаются во внимание характеристики биотехнических элементов влияющих на ЭУРТ. В этом, случае Кэурт предлагается определить из условия следующей формализованной известной модели

Кэурт= SjKэjKгм/ Sо, (6)

где Sj - площадь занятая j-м биотехническим элементом; Kэj - коэффициент, характеризующий экологическое значение j-го элемента на окружающую среду; Кгм - коэффициент геолого-морфологической устойчивости рельефа (при расчетах принимается равным 1,0 для стабильного и 0,7 для нестабильного рельефа); Sо - площадь всей территории рассматриваемого ландшафта.

По приведенным методам устанавливается степень экологической устойчивости рассматриваемой региональной территории, которая позволяет выбрать необходимые мероприятия по ее защите и переформированию.

С практической точки зрения, оценка экологической устойчивости любой региональной территории необходима как основа для разработки предложений по ее системному хозяйственному и экологически устойчивому гармоничному развитию..[5]

С помощью полученного значения Кэурт, приведенного в формуле (1), с экологической точки зрения рассматриваемую региональную территорию можно характеризовать (по данным Словацкого технического университета, г. Братислава) следующим образом:

неустойчивая, с ярко выраженной нестабильностью (Кэурт< = 0,5);

неустойчивая (Кэурт = 0,51-1,0);

условно-устойчивая (Кэурт = 1,01-3,0);

устойчивая (Кэурт = 3,01-4,5);

устойчивая с ярко выраженной стабильностью (Кэурт> 4,5).

Значение Kэj может быть принято по данным установленным Словацким техническим университетом (г. Братислава) с учетом корректировки и дополнений наших предложений: площадь, занятая промышленными предприятиями - 0,01; площадь, занятая застройками и отчуждения под карьеры и дорожную сеть - 0,05; пашня - 0,14; виноградники - 0,29; фруктовые насаждения, кустарник - 0,43; еловые леса - 0,38; огороды - 0,50; луга - 0,62; буковые и пихтовые леса - 0,63; пастбища - 0,68; водоемы и водотоки - 0,79; лиственные леса, ельники, сосны - 1,0. Значения для других биотехнических элементов могут быть установлены в пределах близких по экологическому значению для установленных.

На основании полученного значения КЭУРТ2 устойчивость региональной территории оценивается по следующей классификации: нестабильная территория (КЭУРТ2 < = 0,33; малостабильная = 0,34-0,50); среднестабильная (КЭУРТ2 = 0,51-0,66); стабильная (КЭУРТ2 > 0,66). [5]

Глава 3. Пример расчета экологической устойчивости региональной территории

Приведем пример расчета экологической устойчивости региональной территории, используя имеющуюся информацию по материалам разработки Федеральной целевой программы по «Возрождению реки Волги». Для этой цели примем следующие данные для расчета условной региональной территории:

  • Общая площадь территории (региона) - 30 тыс. км.
  • Площадь, занятая лесами - 15 тыс. км².
  • Площадь, занятая водной поверхностью - 2 тыс. км².
  • Площадь, занятая сельхозугодиями - 10 тыс. км².
  • Площадь, занятая городским хозяйством, включая сельские поселки - 1,0 тыс.км2.
  • Площадь, занятая под дорожную сеть - 0,5 тыс. км².
  • Площадь, занятая под промышленностью и другими негативными элементами - 1,0 тыс. км².
  • Площадь, занятая под свалками - 0,5 тыс. км².

Расчет коэффициентов экологической устойчивости по формуле (1):

Кэурт1 = = (15 + 2) / (0,5 + 10 + 1 + 0,5 + 1) = 17 / 13 = 1,31.

Полученное значение показателя указывает на условно устойчивое состояние рассматриваемой региональной территории.

Для расчета значения Кэурт по формуле (5) приняты следующие коэффициенты экологической значимости (Кэj): для промышленных предприятий - 0,01; для жилищных построек, карьеров, дорог - 0,05; для пашни - 0,14; для леса - 0,60; для водных объектов - 0,79. Значение Kгм= 0,7 - для нестабильного рельефа. Общая площадь территории Sо = 30 км2. Вычислим обобщающий показатель экологической оценки по формуле (6):

Кэурт2 = SjKэjKгм / Sо = (15*0,6 + 2*0,79 + 0,5*0,05 + 10*0,14+1,5*0,05 + 1,0*0,01)*

* 0,7/30 = 0,28.

Из расчета следует, что принятое распределение площадей и параметров экологических элементов указывает на нестабильность региональной территории, что связано со значительной площадью, занятой элементами негативного экологического воздействия. [5]

Заключение

Бесспорно, экосистемы сложны, но они сложны в той мере, в какой нам без них не обойтись. Выше было сказано, что коренные экосистемы наиболее устойчивы к нагрузкам, нежели любые другие производные экосистемы. Наиболее ярким и простым примером может служить сельскохозяйственное поле, которое без должного ухода уже на следующий год не будет иметь привычного ему вида и потеряет свои свойства.

Действительно в наше время проблема устойчивости экосистем встала наиболее остро. Это связано с быстрой потерей коренных экосистем, с увеличением техногенной нагрузки на них в целом. В связи с этими факторами, любые методики по расчёту устойчивости экосистем имеют место быть. К примеру, методика расчёта экологической устойчивости региональной территории, даёт возможность при наличии лишь площадных данных о техногенной нагрузке получить пусть отдалённые, но отдалённо верные данные об устойчивости. Конечно, региональная территории не является определённой экосистемой, по своей сути в методике под региональной территорией понимается совокупность экосистем. Но именно в такой совокупности экосистем проживает большая часть населения нашей планеты. Что касается методик «Диагностика устойчивости экосистем по интенсивности процессов трансформации органического вещества» и «Диагностика устойчивости экосистем по интенсивности процессов трансформации органического вещества», то эти методики позволяют более углублённо изучить экосистему, динамику в ней химических элементов, которые оказывает важнейшее влияние в процессах экосистемы. С помощью этих методик можно выявить наиболее точно, какую нагрузку испытывает экосистема, и какие действия должны быть проведены по снятию чрезмерной нагрузки.

Список литературы

1. Жигарев И.А. Лесные биологические сообщества в условиях рекреационных нарушений. - М.: МНЭПУ, 2002.

2. Реймерс Н.Ф. Экология. Территории, законы, правила, принципы и гипотезы. - М.: Россия молодая, 1994.

3. Реймерс Н.Ф. Ред. Н.М. Чернова. Антропогенная динамика экосистем // Научные труды МНЭПУ, серия «Реймерсовские чтения». - М.: МНЭПУ, 2002. С. 71-96.

4. Коломыц Э.Г., Керженцев А.С., Глебова О.В. Механизмы трансформации лесных экосистем в высокоурбанизированной среде. // Экополис и устойчивое развитие города. - М.: изд-во РАМН, 2000. С.110-116.

5. Карев В.Б., Кавешников Н.Т. Экологическая устойчивость региональной территории. // Международная научно-практическая конференция «Роль обустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». - М.: МГУ Природообустройства, 2007.

6. Попова Н.В. Методы использования данных по скорости освобождения химических элементов из подстилки для диагностики устойчивости экосистем. // Экологические системы и приборы. №4 2007.

7. Попова Н.В. Диагностика устойчивости экосистем по интенсивности процессов трансформации органического вещества. // Экологические системы и приборы №5 2007.

8. Фомичев А.Н. О научных обоснованиях концепции экологического развития. // «ОНС Общественные науки и современность №3 2008.

9. www.sci.aha.ru - Web-Атлас «Окружающая среда и здоровье населения России»

10. www.ecology-portal.ru - Экологический портал.

11. www.sbio.info - портал проекта «Вся биология».

Просмотров работы: 38510