Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Антропогенная трансформация экосистем Владимирской области

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мищенко, Наталья Владимировна, Владимир

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Владимирский государственный университет Российский университет дружбы народов

На правах рукописи

Мищенко Наталья Владимировна

Антропогенная трансформация экосистем Владимирской области

Специальность 03.00.16 - экология

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук, профессор Т.А. Трифонова

Научный консультант

доктор геолого-минералогических

наук, профессор А.П. Хаустов

Владимир - 1999

Содержание

Введение.............................................................................. 4

Глава 1. Литературный обзор............................................. 7

1.1. Исследование динамики экосистем различной пространственной организованности........................ 8

1.2. Характеристика биоты для оценки состояния экосистем 12

1.3. Применение экологического картографирования, аэрокосмической информации и геоинформационных технологий при экологических исследованиях............. 15

Глава 2. Методы и объекты исследования.............................. 25

2.1. Оценка биопродуктивности растительного покрова...... 25

2.2. Методы дешифрирования космических снимков.......... 27

2.3. Методы биотестирования и биоиндикации.................. 29

2.4. Объекты исследования.......................................... 30

Глава 3 Современное состояние ландшафтов Владимирской

области на основе дешифрирования космических снимков и геоинформационных технологий................ 43

3.1. Антропогенная нагрузка на ландшафты Владимирской области............................................................... 43

3.2. Структура почвенного покрова................................. 53

Выводы к главе............................................................ 62

Глава 4 Продукционный потенциал растительности

Владимирской области.......................................... 64

4.1. Растительность Владимирской области...................... 65

4.2. Качественное состояние земель и земельный фонд Владимирской области.......................................... 69

4.3. Продуктивность основных экосистем Владимирской области............................................................... 72

Выводы к главе............................................................ 78

Глава 5 Сравнительная экологическая оценка биологической продуктивности и землепользования экосистем различной пространственной организованности........... 79

5.1. Структура земельного фонда исследуемой территории... 80

5.2. Оценка биопродуктивности угодий и землепользования

по территориям административных районов............... 92

5.3. Оценка биопродуктивности угодий и землепользования

в границах естественных природных ландшафтов......... 101

5.4. Оценка биопродуктивности и землепользования ландшафтов в границах административных районов...... 104

5.5. Оценка биопродуктивности угодий и землепользования

в пределах бассейна реки Судогды........................... 109

Выводы к главе............................................................ 111

Глава 6 Исследование влияния антропогенной нагрузки на экосистемы с использованием материалов дистанционного зондирования и биомониторинга......... 113

6.1. Определение техногенной нагрузки на окружающую среду с применением материалов космофотосъемки...... 113

6.2. Биомониторинг почвы, воды, снежного покрова г. Владимира......................................................... 132

6.3. Биомониторинг реки Клязьмы с использованием космической фотоинформации (в окрестностях г. Коврова)............................................................ 141

Выводы к главе............................................................ 146

Выводы.............................................................................. 148

Список литературы................................................................. 150

Введение

Экосистемы характеризуются различным уровнем сложности, в них происходит взаимодействие живых организмов между собой и с окружающей средой. Природные экосистемы обычно более или менее гомеостатичны (равновесны), и тем ни менее в них с разной скоростью идут эволюционные процессы. При этом антропогенное воздействие изменяет темп и направление их развития, поэтому весьма актуальным является исследование динамики и направления изменений, происходящих в экосистемах.

Как правило, подобные исследования базируются на данных экологического мониторинга и направлены при этом на изучение почв, воздушной и водной среды, биоты. Однако, актуальными остаются такие важные и сложные проблемы, как потеря экосистемами их специфичности, исходной структурно-функциональной организованности, упрощение биоценотического состава. Решение этой проблемы представляет не только научный, но и практический интерес при установлении оптимальных параметров природопользования и совершенствовании системы управления.

Для оценки структуры и функционирования экосистем необходимо переходить от частных оценок к комплексным исследованиям, включающим наблюдения за состоянием как биоты, так и компонентов окружающей среды. При этом очень важно оперативно отслеживать изменения, происходящие в окружающей среде. Поэтому весьма актуальным является предлагаемый в работе подход совместного применения методов дистанционного зондирования, позволяющих быстро оценивать изменения происходящие на больших территориях с использованием новых методов биомониторинга, которые дают комплексную оценку антропогенного воздействия.

Одной из частых причин возникновения экологических нарушений является несоответствие типа природопользования социально-экономическим и природным условиям территории. С этой точки зрения актуально изучение

как характера самого природопользования (в частности, землепользования), так и его влияния на биологическую продуктивность экосистем.

Актуальным является использование в изучении экосистем, геоинформанионных технологий (ТИС), которые активно развиваются в последнее время, но не нашли еще достаточно широкого применения в комплексных и системных экологических исследованиях.

Цель исследований. Сравнительная оценка влияния антропогенной нагрузки на arpo- и урбосистемы на основе комплексного анализа состояния среды и биоты с использованием методов дистанционного зондирования, биотестирования и биоиндикации.

Поставленная цель определила следующие задачи:

\ .Провести сравнительную оценку динамики запасов фитомассы и биологической продукта вности агроэкосистем в пределах различных территориальных границ: административных районов, ландшафтов и водосборных бассейнов.

2. Оценить многолетнее влияние структуры землепользования на биопродуктивность различных экосистем.

3.Исследовать антропогенную нагрузку на урбанизированные экосистемы, определить пути формирования и распространения техногенных потоков с использованием комплекса современных методов.

4.Провести экологическую оценку влияния крупных промышленных центров на водные объекты на основе методов дистанционного зондирования и биомониторинга.

Научная новизна работы :

1 .На территории Владимирской области суммарные запасы фитомассы и продуктивности за более чем полувековой период существенно не изменились, но внутри отдельных групп ценозов происходят разнонаправленные изменения.

2.В пределах административных районов антропогенная нагрузка на экосистемы распределяется неравномерно.

З.На основе дешифрирования космических снимков и биомониторинга выявлены очаги загрязнения почвенного покрова города Владимира и гидрологических объектов области.

Защищаемые положения.

1. Сравнительная оценка запасов фитомассы и продуктивности растительного покрова различных природно-территориальных комплексов (административных районов, природных ландшафтов, речных бассейнов) позволяет давать более объективную оценку влияния землепользования на структуру и функционирование агроэкосистем. Статистические показатели характера землепользования по административным районам не позволяют выявлять реальное состояние природных экосистем и своевременно фиксировать превышение допустимых нагрузок.

2.Комплексное аналитическое использование космоснимков, статистических параметров и биотестирования позволяет выявлять очаги формирования техногенных потоков и распознавать пути их распространения.

3.Использование методов компьютерного дешифрирования космоснимков в сочетании с химическим анализом воды, донных отложений и гидробионтов позволяет оптимизировать систему экологического мониторинга речных бассейнов.

Практическое значение работы. Результаты работы могут быть использованы для аналитической оценки экологического состояния региона с целью оптимизации системы экологического мониторинга, оценки биологического потенциала экосистем, их техноемкости, а также для организации адаптивно-ландшафтного землепользования.

Выражаю благодарность за помощь в работе над диссертацией научному руководителю профессору Трифоновой Татьяне Анатольевне, консультанту профессору Хаустову Александру Петровичу, сотрудникам кафедры экологии Владимирского государственного университета и экологического факультета Российского университета дружбы народов.

Глава 1. Литературный обзор

Экосистема - это одна из наиболее сложных природных систем, она представляет собой совокупность живых организмов взаимодействующих между собой и с окружающей средой. Живой и неживой компоненты экосистемы тесно связаны между собой. Экосистемы сложились в процессе длительной эволюции, и обычно они являются слаженными, устойчивыми механизмами, способными противостоять как изменениям в среде так и изменениям в численности организмов путем саморегуляции [61, 94 и др.].

В настоящее время человек активно изменяет окружающую среду, и самым ощутимым последствием этого является нарушение естественных экосистем и ландшафтов. Свою хозяйственную деятельность человек начинает с использования продукции, биомассы и территории, занимаемой экосистемами. Это он делал всегда, но в XX веке подобная деятельность приобрела глобальные масштабы. Современные технологии направлены на все более эффективное использование природных ресурсов и тем самым на перестройку окружающей среды.

Антропогенная деятельность часто нарушает механизмы саморегуляции экосистем и естественные эволюционные процессы, протекающие в них. Направление изменений, происходящих в экосистемах и их отдаленные последствия зачастую бывает очень сложно предвидеть. Следствия перестройки и разрушения естественных экосистем проявляются на всех уровнях - от локального (на уровне отдельных видов) до регионального и глобального [123, 142].

Именно поэтому в настоящее время большое внимание уделяется развитию экологического мониторинга. При этом на первый план выдвигается задача по систематизации многочисленных и длительных наблюдений за состоянием окружающей среды, чтобы в конечном итоге определить характер изменений, произошедших в экосистеме в целом, а не только по отдельным параметрам проводимых наблюдений.

До сих пор в основном изучалась реакция отдельных компонентов экосистем на те или иные воздействия и редко встречался комплексный анализ [18, 36, 83]. В экомониторинге основные усилия направлены, как правило, на частные вопросы - определение состояния воздушной и водной среды, почвы. При этом главное внимание сосредотачивается на таких показателях как ПДК, ПДВ, концентрациях токсинов и т. п. А это отодвигает на второй план такие важные проблемы как потеря экосистемами их структурно-функциональной организации и специфичности, упрощение биоценотического состава и биоразнообразия на больших территориях.

Частные оценки важны в процессе накопления информации о состоянии среды. Но акцентирование внимания только ни них может привести в конечном итоге к деэкологизации заключительных результатов. Стремление к максимальной объективизации, простоте и воспроизводимости результатов может обернутся такой ситуацией, когда экосистема, выдерживая "ключевые параметры", тем не менее деградирует и у нее проявляются глубокие негативные изменения. Экологический мониторинг только тогда сможет качественно выполнять поставленные перед ним природоохранные задачи, когда будет разработана комплексная система оценки состояния экосистем и их компонентов [83].

1.1. Исследование динамики экосистем различной пространственной

организованности

К настоящему времени сложился ряд подходов к экологическому районированию территории. Поскольку понятие "экосистема" не имеет определенной пространственной привязки, то для оценки ее структуры и фу н кцион ирован ия можно использовать различные ранги: ландшафтные, административно-территориальные, хозяйственные, гидрометеорологические и др. Проблема выбора территориальных единиц в настоящее время обсуждается многими авторами.

Так, разграничение территории по сумме проблем природопользования тесно связано с изучением и районированием самого природопользования. Например, одной из частых причин возникновения экологических нарушений является несоответствие типа природопользования социально-экономическим и природным условиям территории. Примером может служить необеспеченность трудовыми ресурсами земельных ресурсов периферийных районов Нечерноземья, создание концентрированного стойлового животноводства и широкое распространение мелиорации в районах, не обеспеченных кадрами. На первый взгляд - это сугубо экономическая проблема, но ее последствием является нарушение природной среды [88,102].

Поэтому для понимания экологических проблем необходимо изучение как самого природопользования, так и факторов (природных, социально-экономических), влияющих на его структурную организацию. Районирование природопользования - это выявление таксонов с определенным характером связей "тип природопользования - комплекс проблем природопользования" [88, 89].

Какой бы компонент природной среды мы не изучали, надо всегда иметь в виду, что он является не абстрактной единицей, а входит в структуру геосистем [41]. Целью прикладного ландшафговедения является всесторонняя оценка геосистем и их устойчивости. Понятие геосистема охватывает весь иерархический рад природных географических единств - от географической оболочки до ее элементарных структурных подразделений [50].

В последнее время большое внимание уделяется проблеме устойчивости различных типов геосистем [18, 45, 50, 130]. Устойчивость определяют как способность к саморегуляции и самовосстановлению. Такое определение вытекает из самого понятия экосистемы. Кроме того, выделяют упругую и пластическую устойчивость [103], а также стабильность и собственно устойчивость, или пластичность [129].

К геосистемам относятся в частности ландшафты и водосборные бассейны, которые и определили два основных геосистемных подхода к районированию территории: ландшафтный и бассейновый.

Ландшафт можно определить как генетически единую геосистему, однородную по зональным и азональным признакам и заключающую в себе специфический набор сопряженных локальных геосистем [8, 49, 50]. Между структурными элементами ландшафта осуществляется обмен энергией, веществом и информацией. Он пронизан вещественно-энергетическими потоками различной мощности. Существуют потоки внешние (входные и выходные) и внутренние. Считается, что собственно системообразующее значение имеют потоки внутренние.

Но существо взаимосвязей в ландшафте не исчерпывается простой передачей вещества или энергии между компонентами. Вещественно-энергетические потоки подвергаются трансформации, в том числе и антропогенной. Поэтому вполне логичным является принятие многими авторами ландшафтов разного уровня за элементарную структурную единицу экологических исследований [18, 50 52, 91].

Необходимо учитывать, что не только человек влияет на ландшафты, но и ландшафты любого уровня оказывают влияние на современное хозяйство, на освоенность или заселенность территории, на размещение населенных пунктов.

Ландшафтные исследования должны включать фундаментальные исследования по всестороннему анализу воздействия человека на структуру и функционирование ландшафтов, по оценке их устойчивости. Прикладная часть исследований состоит в том, чтобы применить полученные выводы к решению конкретных практических задач по рациональному природопользованию. Синтезом всех этих разработок должен явиться проект культурного ландшафта [50].

При комплексной оценке техногенного воздействия на структуру и функционирования ландшафтов необходимо учитывать изменение

влагооборота и водного баланса, техногенную миграцию химических элементов в геосистемах, нарушение биологического равновесия и биологического круговорота веществ, изменение теплового баланса и др [51].

В настоящее время большое внимание уделяется динамическим характеристикам ландшафтов [1, 43, 44, 69, 84]. При этом особое место отводится сопоставлению динамики ландшафтов и их отдельных морфологических частей в стабильных и изменяющихся условиях внешней среды [15] .