Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Функционально-экологическая оценка лесных подзолистых почв в условиях Московского мегаполиса

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Функционально-экологическая оценка лесных подзолистых почв в условиях Московского мегаполиса"

ВИЗИРСКАЯ МАРИЯ МИХАЙЛОВНА

Функционально-экологическая оценка лесных подзолистых почв в условиях Московского

мегаполиса

(на примере ЛОД РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева)

Специальность: 03.02.08 — экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2014

25 СЕН 2014

005552888

Работа выполнена на базе кафедры экологии и лаборатории агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева».

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Васенев Иван Иванович

Официальные оппоненты: Доктор биологических наук, профессор

факультета почвоведения МГУ, заведующий лабораторией управления круговоротом веществ и потоками энергии в педосфере Института экологического почвоведения МГУ Смагнн Андрей Валентинович

Кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН Ларионова Алла Александровна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Нижегородская государственная

сельскохозяйственная академия"

Защита диссертации состоится «11» ноября 2014 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д.15.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49.

Автореферат разослан «С> » 2014 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49; тел./факс: 8(499) 976-24-92;е-таП: dissovet@timacad.ru.

Учёный секретарь

диссертационного совета - , к.б.н. Селицкая О.В.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Последнее десятилетие характеризуется нарушением пропорций между городским и сельским населением (Picett, 2011). Формирующаяся диспропорция приводит не только к росту мегаполисов, но и к повышению нагрузки на экосистемы, входящие в состав урбанизированных территорий (Seto, 2011). В условиях мегаполисов резко возрастает давление на природную среду, в том числе на ее компоненты и, в частности, почву. В результате происходят изменения почвенных функций и сервисов. Одной из основных задач современной экологии является поддержание благоприятных экологических условий и устойчивости функционирования территории мегаполисов. Москва - это один из крупнейших мегаполисов Европы. Ее природоохранный каркас составляют заповедники и лесные массивы. Одним из наиболее интересных является Лесная Опытная Дача (ЛОД) РГАУ-МСХА имеющая 150 летнюю историю наблюдения за состоянием лесных биогеоценозов (Наумов, 2009; Яшин и др. 2010;Мосина и др. 2012).

Почвенный покров как базовый элемент любого ландшафта является компонентом, наиболее полно отражающим текущее состояние всей экосистемы, и играет важную роль в обеспечении устойчивости лесных биогеоценозов (Васенев и др. 2012). В условиях густонаселенных городских систем почвы претерпевают антропогенные изменения, последствия которых отрицательно сказываются не только на лесных экосистемах, но и на экологическом состоянии близлежащих территорий.

Почвы выполняют широкий спектр экосистемных функций, среди которых наиболее значимыми для рекреационных лесов в черте города следует считать лесорастительную и рекреационную функции, и регулирование состава атмосферного воздуха (Добровольский, 1990;3аварзин, 2007). Все эти функции напрямую связаны с устойчивостью функционирования урбанизированных территорий как целостных экосистем. С функцией регуляции состава атмосферного воздуха тесно связана проблема глобальных изменений климата, которые обусловлены накоплением парниковых газов. С02 и СН4, наиболее активные парниковые газы, имеют преимущественно почвенное происхождение (Bouwmanand Germon, 1998; Смагин, 2005; Кудеяров и др., 2007;Курганова, 2010), в то же время, закономерности их эмиссии почвами городской среды изучены слабо. Именно поэтому интерес к почвам как к объекту базового экологического мониторинга в последнее время растет.

Целью данной работы является исследование и сравнительная оценка экологических функций и основных диагностических параметров лесных подзолистых почв в условиях Московского мегаполиса, который рассматривается на примереЛесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (ЛОД).

В соответствии с целью исследования последовательно решались следующие задачи:

1. Детальное описание почвенного покрова и растительности фоновых и рекреационно нарушенных представительных ключевых участков в трансекте почвенно-экологического мониторинга.

2. Проведение режимных наблюдений за сезонной и суточной динамикой температуры и влажности почвы, почвенными потоками С02и СН4 на исследуемых ключевых участках.

3. Анализ факторов, обуславливающих пространственно-временную динамику почвенных потоков С02 и СН4 ключевых участков почвенно-экологического мониторинга ЛОД.

4. Сравнительная оценка качества функционирования лесных подзолистых почв и выполняемых ими экологических функций в условиях различного положения в мезорельефе и различной антропогенной нагрузки.

Научная новизна. В результате проведения исследования изучены контрастные варианты лесных подзолистых почв, занимающих различные экологическое положение в структуре «фоновых» лесных экосистем Московского мегаполиса. Изучены закономерности пространственно-временной сезонной и суточной динамики почвенных потоков С02с использованием метода высокочастотных наблюдений. Установлено, что основным фактором, определяющим поток С02 в условиях нормального увлажнения, является температура почвы (Я = 0,82).Влажность почвы оказывает существенно меньше воздействия, при этом их взаимосвязь носит обратный характер (Я = - 0,45), однако в засушливые годы существенное влияние на поток С02 оказывает и влажность (Я до 0,81). Получена регрессионная модель зависимости эмиссии С02 почвами от температуры и влажности, позволяющая рассчитать почвенный поток С02 с точностью 43%(11=0,66, г = 0,44). Выявлены факторы пространственной неоднородности почвенных потоков СН4.Установлены различия в степени устойчивости почв к рекреационной нагрузке, обусловленные положением почв в разных позициях мезорельефа местности.Так, почвы, располагающиеся на подошве склона и периодически подтопляемые, менее устойчивы к изменениям, вызванным рекреационной нагрузкой.

Практическая значимость.Исследования проводились в рамках единой программы экологического мониторинга Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Наблюдения входят в региональную систему мониторинга почвенных потоков парниковых газов представительными ландшафтами европейской части России - сети ИшР1ихЫе1, сформированной в 2012-2013 гг. при поддержке гранта Правительства РФ №11.034.31.0079.

В число объектов мониторинга входят участки длительных мониторинговых наблюдений, по данным которых должны разрабатываться рекомендаций по экологической регламентации территориальной дифференциации рекреационной нагрузки на ЛОД.

Апробация работы.Основные положения диссертации были представлены: на XI и XII Всероссийских выставках научно-технического творчества молодежи (2011 г. -медаль, 2012 г. - грант); международной

научной конференции молодых ученых РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева 2011; конференциях: XV, XVI и XVII «Докучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2012, 2013 и 2014); на молодежном научном экологическом форуме (Москва, 2011), на экологическом форуме «Экология мегаполиса - 2012»(Москва, 2012), на международной конференции «Моделирование результатов воздействия изменений климата на влагообеспечение и продуктивность сельскохозяйственных культур»(Италия, 2012), на международной конференции «Архитектура и ландшафт - основа устойчивого развития городов» (Москва, РУДН, 2012,2013), на съезде Европейского сообщества наук о Земле, (г. Вена (Австрия), 2013 г.). По результатам исследования опубликовано 18 научных работ, в т.ч. 4 работы в журналах, рекомендуемых ВАК (одна из них на английском языке).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, изложенных на 156 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц и 33 рисунка. Список литературы насчитывает 205 наименований, в том числе 63 на английском языке.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность за помошь в работе над диссертацией научному руководителю проф. И.И. Васеневу, за ценные консультации - проф. В.А. Черникову, проф. Л.В. Мосиной, доц. Е.Б. Таллеру, доц. Ю.Л.Мешапкиной, доц. Ю.А. Курбатовой, с.н.с. В.И.Васеневу, за помощь в проведении исследований коллектив лаборатории агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем, в частности - И.М. Мазирову, А.С.Епихиной, М.В.Тихоновой, А.Оводу, а так же всем сотрудникам кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Глава1. Функционально-экологическая оценка почв в системе мониторинга городских экосистем

Одной из основных тенденций развития современного землепользования является урбанизация(Рккеи, 2011). К началу 21-го века доля городского населения превысила сельское, а урбанизированные территории стали занимать более 3% всей суши Земли, в отдельных регионах их доля превышает 10% (БеЮешИ, 2011). Такая тенденция делает урбанизированные ландшафты все менее устойчивыми системами. Особо охраняемые природные территории (ООПТ) создают природоохранный каркас городских систем, играя важную роль в поддержании устойчивого функционирования мегаполисов (Мосина, 2002; «Агроэкология», 2003).

В настоящее время в городской среде система «почва-растительный покров» испытывает постоянную и увеличивающуюся антропогенную нагрузку, что приводит к целому ряду негативных последствий (Сазанов, 2000; Мосина, 2003; Рысин и др., 2004, Новикова, 2005). При этом почвы являются неотъемлемым компонентом природных систем, который наиболее полно может отражать состояние экосистемы в целом (Васенев и др., 2012).

Почвенно-экологический мониторинг как направление исследований развивается уже давно, при этом фокусируясь в основном на почвенных диагностических показателях (Прокофьева, 2004;Раскатова, 2008; Яшин и др., 2012), содержании поллютантов, таких как тяжелые металлы (Мосина, 2002). Большое внимание уделяется, в частности, именно особо охраняемым природным территориям (Довлетярова и др., 2012; Яшин и др. 2012), в качестве объектов базового экологического мониторинга.

Другим актуальным направлением исследований является изучение биологической активности почв и почвенного дыхания как интегральной характеристики биологической активности и характеристики углеродных пулов в почвах (Карпачевский, 1987; Заварзин, 2008;Курганова, 2010; Смагин, 2010).

Все большая концентрация внимания на экологической роли почв в биосфере привело к формированию отдельного учения об экологических функциях почв, а так же концепции экологических сервисов (Со51апгае1а1, 1997;ТЕЕВ, 2010;Добровольский, Никитин, 2012).

В связи ведущей ролью почв в создании и сохранении благоприятных условий для развития и устойчивого функционирования растительного покрова на первое место в условиях городских ООПТ выходят лесорастительная и рекреационная функции почв и регулирование состава атмосферного воздуха (Добровольский, 2005; Заварзин, 2007; Наумов, 2009).

Способность почвы быть аккумулятором и источником веществ и энергии для живых организмов является ее важнейшей биосферной функцией о степени эффективности выполнения которой можно судить по накоплению и содержанию органического вещества, питательных элементов в растворенном и подвижном состоянии, оценке физико-химических параметров почвы (Добровольский, Никитин, 2006). Рекреационная функцияв первую очередь связана с буферностью и устойчивостью почв к рекреационной нагрузке. Функция регуляции состава атмосферного воздуха обусловлена процессами, протекающими в почвах при участии микроорганизмов, и, как правило, оценивается по объему стока/эмиссии газов (Смагин, 2005; Кудеяров и др., 2007;Курганова, 2010).

В настоящее время исследование почв с точки зрения их функционального качества и экологического состояния особенно актуально в системе регионального почвенно-экологического мониторинга урбанизированных территорий.

ГлаваН.Объекты и методы исследования

Москва — крупнейший город России по количеству жителей и самый населённый из городов Европы. Численность населения ее агломерации превышает 15 миллионов человек. Наряду с высоким общим уровнем загрязнения и плотной застройкой территория города характеризуется развитым природоохранным каркасом («Доклад о состоянии...», 2012). Список Особо охраняемых природных территорий (ООПТ) Москвы по

состоянию на 2012 год насчитывает 119 объектов. Зеленые насаждения занимают около 30 % общей площади города, что является значительным показателем для крупного мегаполиса (Лихачева, 2007).

ЛОД- не только одна из старейших ООПТ на территории Москвы с посадками естественного происхождения, но это еще и объект с длительной историей исследований (Мосина, 2002, Довлетярова, 2005) ЛОД - целостный лесной массив площадью порядка 230 га,включает лесонасаждения как естественного н искусственного происхождения, представленных почти в равных соотношениях (в долях лесонокрытон площади 52% : 48% соответственно). Преобладающая порода - сосна (34% лесопокрытой площади). Возраст древесной растительности в среднем около 100 лет (Наумов, 2009).

По результатам многолетних наблюдений, проводимых на находящейся в непосредственной близости метеостанции имени Михельсона, средняя многолетняя температура самого холодного месяца (января) составляет -10,2 "С, самого теплого (июля) - 18,3 °С. За год в Москве выпадает 600-800 мм атмосферных осадков. Относительная влажность воздуха за год в среднем 77%. Коэффициент увлажнения составляет 1.2, что обеспечивает периодическое промывание почвы по всему профилю и способствует развитию процесса онодзоливаиия.

ЛОД расположена на плоском водораздельном моренном холме (высота над уровнем моря 175 м) с пологим склоном на юго-запад и слабопокатым коротким склоном на северо-восток. Перепад абсолютных высот на территории ЛОД составляет около 15 м (Тимофеев, 1964, Поляков. 1993, Наумов, 2008).В ландшафтах ЛОД отмечено преобладание моренного красно-бурого суглинка двучленного строения в сочетании с покровными и флювиогляциатьпымн отложениями (Васенев и др., 2007, Наумов, Поляков, 2009).

Характерной особенностью ЛОД, выделяющей ее среди объектов природоохратпюй инфраструктуры города, является естественный почвенный покров, который сохранился на большей част территории. В нем преобладают характерные для фоновых южно-таежных экосистем центра европейской территории России дерново-подзолистые почвы с различным уровнем развития органогенного гумусово-аккумулятивного, подзолистого и переходных горизонтов с разной степенью оглееиия, вплоть до болотно-нодзолистых(Яшин и др., 2000, Савич и др., 2003, Мосина, 2003, Наумов, 2009). Эта почвы, как правило, выполняют роль фоновых объектов в системе экологического мониторинга городских почв Москвы, отличающихся высокой пространственной неоднородностью («Почва, город, экология», 1997, «Антропогенные почвы», 2003, Прокофьева и др., 2010).

Пространственная организация мониторинговых наблюдений базировалась на ранее заложенной катене почвенно-экологических исследований (Наумов и др., 2007; Васенев, Раскатова.. 2009). В рамках исследования ключевые участки 4 и 5 были выбраны севернее ранее

заноженных точек катены, перпендикулярно основному повышению моренного холма, а расстояние между точками сокращено в целях сниженияуровня фоновой пространственной изменчивости, не анализируемой в рамках данного исследования.

Для исследования были выбраны две группы объектов (рис. 1 ): 1 ) Ключевые участки экологического мониторинга, характеризующие в катене фоновое разнообразие исследуемого лесного ландшафта СЮИТ, с минимальным уровнем техногенной нагрузки на них; 2) Ключевые участки, сопоставимые с фоновыми по ландшафтно-морфологическим условиям, но характеризующиеся средним и сильным уровнем рекреационной нагрузки. Ключевые участки исследования заложены на катене протянутой с северо-востока на юго-запад.Участки 1 и 2 заложены на прямом слабопокатом коротком склоне мореного холма северо-восточной экспозиции: в средней (ССВ) и в нижней части склона (ПСВ). Участки 4 и 5 заложены на противоположном пологом склоне повышенной длины юго-западной экспозиции: в средней и нижней части склона слабовогнутой формы (СЮЗ и ПЮЗ). Ключевой участок 3 расположен на вьшоложешюн вершине моренного холма (ВМХ)

-

Ключевые участки:

1 - подошва северо-восточного склона (ПСВ)

2 - средняя чаем, северо-восточного склона (ССВ)

3 - вершина моренного холма (ВМХ)

4 - средняя часть юго-западного склона (СЮЗ)

5 - подошва юго-западного склона (ПЮЗ)

1 св

tl з

80 » в) Я в Ш ®

Рпс. 1. Картосхема Лесной Опытной Дачи и схема изучаемой катены

В рамках исследования устойчивости почв ключевых участков в условиях различающегося мезорельефа к рекреационной нагрузке средней и сильной степени выраженности к исходным ключевым участкам были подобраны площадки, сопоставимые по положению в мезорельефе, но с различным уровнем

б

рекреационной нагрузки. Средний и сильный уровень нагрузке определялся но степени пересеченности территории тропами по сравнению с фоном.

Размер участков, характеризующих фон — 40 па 40 м, участки с нагрузкой 20 на 20 м. Ключевые участки отличаются типом растительности, иочвообразующими породами и почвами (табл. 1).

Таблица I

Характеристика ключевых участков*

КлУ Тип леса, состаи древостоя Козф.со ст/%со мкну гас ти крон Почва Профиль

1 -пев Сосняк осок'ово- щитовннковый 4СЗК2Лп: Б*сдЕ 23/45% Дерново-подзолнсто-глеевая легкосутд инистая тин и чная ненас ы шешшя неглубокоосветленная на моренном суглинке 0,2- АУ6-АЕЬэт-ШёЬ - ВЕ1^)55-ВТаоНВС8,го5

2 -сев Сосняк с кленом сложный осоково-щигевннковый С5К + Д +Лп-*-Г> 2,9/50% Дерново-нодзолистаи легкосуглишкл ая глееватая ненасыщенная неглубокоосветленная на моренном суглинке 0+1 - АУц — АН.- ■•■ Н1.5и ВГЛ,(.,Л'-ВТй8о ВС 120 ;

3- вмх Дубняк с лшюи сложным будро-копытенневый 2 Д .1К2 Л п+С + К+ Вз 2,2/60% Дсрново-нод золистая легкосуглинистая глееватая ненасыщенная глубокоосветленная на покровном суглинке подстилаемым мореной о(2-лу8-АГХ,6-Еи(№ - ЕЬ2(с,5з -Ш:!.,,,., - ВТ»8„ -ВС,;0:

4- сюз Сосняк разнотравно-осоковый бСЗКл+Лп+едЕ-!-олД 2,0/75% Дсрново-нодзолисто-г.зеевая легкосуглинистая пшичпая ненасыщенная неглубкоосветленная на покровном суглинке, подстилаемым мореной О7,,- ЛУ(М,2 -АИ-н»- 1£Ьз5 - вкце)55 - втб82

5 - шоз Сосняк шитовниково-осоковьш 1,7/80% Дерново-подзолнсто-глеевая легкосутлиниетая типичная ненасыщенная неглубкоосветленная на покровном суглинке, подстилаемым мореной ЛЕЬщ- РХ«28— ш-:1 вт&3- ВСё,;Л,

4С5Кл1Лп+и+Б+ Я

* С использованием материалов Буриновон Б.В.

Методы исследования. Полевые методы исследования включают метод ключевых участков, метод траисект, лесную таксацию. Была проведена оценка состояния древостоя но Алексееву В.А. и Мозолевской ЕЛ". В ходе полевых исследований закладывались почвенные разрезы и прикопки, производилось определение температуры почвы почвенным термометром (СЬескгетр). измерение влажности почвы с использованием почвенного влагомера ТЬсЛаргоЬеР 14 26, измерялась эмиссия С02 почвами.

Для характеристики интегральной биологической активное™ почв использовались следующие методы: определение интенсивности эмиссии углекислого газа из почвы методом оценки поглощения ССЬ раствором щелочи в модификации J1.I1. Карпачевского (Кариачевский, 1981), методом отбора проб из экспозиционных камер с последующим анализом образцов на хроматографе и методом прямых измерений эмиссии ССЬ с поверхности почвы с помощью инфракрасного газоанализатора Li-Cor 820. Измерение эмиссии СОяючвами или почвенного дыхания проводилось с разделением дыхания на корневую и микробную составляющую.

Лабораторные исследования проводятся для подробной характеристики основных физико-химических с во Пет б изучаемых почв. В данном исследовании проводились следующие виды анализов: определение плотности и влажности почв - термостатно-весовой метод (Вадюнина, Корчагина, 1986, «Теория и методы...», 2007); определение рН водной и солевой вытяжки почв определялась потенциометрически (ГОСТ 26423-85); содержание органического углерода - методом Тюрина в модификации Никитина; гидролитическая кислотность по Каппену(ГОСТ 26212-91); сумма поглощенных основаннй по Каппену-Гилысовицу (Минеев, 2001); определение обменного водорода и алюминия (по Соколову); определение содержания обменного К (по Масловой ГОСТ 26210-91) и подвижного Р (но Кирсанову ГОСТ Р 54650-2011)в иочве.Статистичеекая обработка производилась с помощью Microsoft Excel 2010, программы STRAZ, и в пакете STATISTIC А 8.0 (Мешалкина, Самеонова, 2008; Дмитриев, 2009).

Глава III. Современное состояние растительности и лесных подзолистых почв на представительных участках мониторинга ЛОД РГАУ-МСХА

Проведенные исследования подтвердили выявленную ранее значительную мезо-неоднородность растительного и почвенного покрова, а также режимных характеристик внутренне однородных ключевых участков почвенио-экологаческого мониторинга ЛОД.

Исследуемые участки в значительной степени отличаются характером древесной и напочвенной растительности (табл. 1). Для северо-восточного (СВ) склона и подошвы холма характерно преобладание лиственных пород (Acer Plantanoides. Tilia cordata, Betula pendula. Quercu srobur) при участии хвойных (Pimis sylvestris). В напочвенном покрове преобладают ассоциации осок (Care.х pllosa, Carex siivatica), встречаются парцеллы щитовника мужского (Dryopterys filix-mas) и будры шнощевидной (Gleochomci hederacea). Напочвенный покров изреженный, площадь проективного покрытия на подошве СВ склона 35-40%, иа склоне СВ экспозиции - 70-80%, и на вершине моренного холма (ВМХ) - до 60% . Дтя юго-занадного(ЮЗ) склона характерно абсолютное преобладание хвойных пород, в частности, сосны. Напочвенный покров развит в большей степени иа ЮЗ: нлошадъ проективного покрытия до 90% для склона и до 70% для подошвы.

Преобладают будра плющевндная, зеленчук желтый (Galcobdolon luteum), кислица (Oxa/is aceloselki), встречаются осоки и щитовник.

Почвенный покров исследуемых участков представлен лерново-подзолистыми почвами, отличающимися степенью развития гумусового горизонта и выраженностью процесса ошеения (табл. 1). Почвы участка В MX отличаются хорошо развитым профилем дерново-подзолистой почвы с подстилкой малой мощности и развитым гумусово-аккумулятивным горизонтом с высоким содержанием гумуса (3,24%) (табл. 2), содержание которого резко уменьшается вниз по профилю. Так же для почв участка характерно большое содержание общего азота (0,45%).

Таблица 2

Сравнительный анализ химических показателей дерново-подзолистых почв исследуемых ключевых участков (п=4)

КлУ Гор-т h Диагностические показатели

I'VMVC, % No6iu, % pHKCl K,0, мг/кг Р,0,, мг/кг

M <s M а M <j M а M <т

1- псв AY ft 2,31 0.54 0,24 0,01 3,68 : 0.14 34,25 6.41 117, 13.8

Ш| 20 0,72 0,32 0,12 0,01 3,12 0.12 ■37,21 5.58 58.22 2,9

ВН. 55 0.46 0,61 0,10 0,03 3;59 0,12 42,87 6,45 70.93 4.9

13 80 0.15 0,01 0,22 0.08 3.65 0,08 :4,33 ч 0,75 42,87:. 6,45

ссв AY 11 5.33 0.36 0.63 02 3,96: 0,34 106.4 4,57 37.7 5,11

А1: L ■yi 0,93 0.01 0.29 0.07 4,01 ■ 0.28 30.! 1.51 26,8 3.64

!:!.. 30 0,23 0.09 0,08 0,02 3,81 0.47 72,2 7.44 25,5 0.93

BHL 65 _ - 3,75 >200 62,2 9,1

вмх AY 8 3.24 0,77 0,45 0,17 3,91 0.16 :!29,7 44.52 113,1 6,01

AF.L 16 1,8 0,21 0,01 3.58 0,04 32,46 13,2 163,0 3,42

Ш, 53 0.96 0,29 0,21 0,1 3,98: 0,14 15,25 7,03 36.0 5,67

BEL 04 0.39 0.07 0.06 0,01 3,72 0,0 S 17,95 4,77 0 80.2 6,5

В* SO ^ - 3,71 >200 75.0 10.6

4- сюз AY 12 1.68 0.18 0,70 0,15 3,62 0.01 93.75 13,3 95,7 7,8

AFI, ¡9 0.53 0,07 0,38 0.3 4,16 0.56 47,08 5.73 : 35.7 4,3

EL 25 0.03 0,05 0,03 0,01 3.81 0,42 31,98 5,51 23.0 2,24

BLL 55 0.02 0,01 0.35 0.04 3.72 0,08 22,52 1,49 16.2 2,41

5_ 1 КО':! AY ;o 2.84 0.66 0,32 0.07 3,76 0,12 109,7 12,1 26.8 : 1.9

ЛГ;,1. ¡9 1.05 0,06 0.37 0.09 3,83 0,28 68.20: 7,9 25.7 1.6

EL 28 0,43 0.15 0.03 0,02 3,75; 0.55 58.30 11,4 12,5 2,5

BEL 52 0,11. 0.08 0,07 0,01 3,63 0.28 9,30 0.63 10.6 0,4

h - глубина

Почвы СВ склона характеризуются подстилкой малой мощности тина модер-мор и менее развитым гумусово-аккумулятивным горизонтом,

содержащим меньше гумуса. (ИСВ -2,31%, ССВ - 1,33). Ирм этом склон СВ экспозиции содержит большое количество азота (0,64 %). Почвы ЮЗ склона, характеризуются большей влажностью, развитой подстилкой с признаками оторфованности, которую можно отнести к типу модер-мор и мощным гумусово-аккумудятивным горизонтом с признаками оглеения. Почвы подошвы характеризуются достаточно высоким содержанием гумуса (2,84%).

Почвы всех участков относятся к сильно кислыми, что хорошо согласуется с предшествующими исследованиями (Раскатова, 2008). Для ЮЗ склона характерны чуть более кислые почвы, что может быть связано с преобладанием хвойных пород и развитием глеевого процесса (Яшин. 2012).

Проведенные мониторинговые наблюдения за режимными характеристиками почв (температура, влажность, рН, эмссия С02), показали значительную сезонную и межсезонную динамику этих показателей (табл. 3).

Исследуемые почвы характеризуются наибольшей влажностью в весенний период - после снеготаяния (22-54%). Почвы ЮЗ склона отличаются большей влажностью, подошва ЮЗ склона является наиболее влажным участком. В течение вегетационного сезона влажность почв постепенно уменьшается, к августу ее значение в среднем в 2,5 раза меньше, чем в начале сезона (7,1-22,7%). Температура почвы от мая к августу, напротив, постепенно повышается с 7-14°С до 15-25°С. прогревание верхнего горизонта почвы (11=15 см) в среднем составляет 6-8°С.

По данным ежемесячного мониторинга, эмиссия СО? в течение сезона сокращается от мая к августу. Снижение эмиссии С02может достигать к концу сезона 65-75%. Основным фактором лимитирующим эмиссию С0:лвляется степень увлажнения верхних горизонтов исследуемых почв.

Кислотность почвы гак же изменяется в течение сезона, ежегодно для всех участков отмечается подкисдение почвы от мая к июню с последующим повышением значения рН.

Наряду ссезонными, были выявлены также и межсезонные тренды. Отмечено повышение кислотности почвы с 2010 по 2012 год. Подкисление составило 5-18% и в наибольшей степени отразилось на участках, расположенных в пониженных элементах рельефа.

Мониторинговые исследования, проведенные в 2010 году, отличающимся экстремально высокими температурами воздуха, выявили повышенные значения температуры почв со зиачителышменижением влажности до 7,1-9,9%. Понижение влажности является критическим для почвенной биоты и растительности, что отразилось на потоке С02, который был наименьшим в 2010 году. Интересно, что после 2010 г. почвенный поток С02остался пониженным, что, по-видимому, связано с негативными изменениями, вызванными экстремальными климатическими условиями.

Почвенное дыхание (эмиссия С02)напрямую связано с такой важной функцией почв, как регулирования состава атмосферного воздуха, в связи с чем были проведены более детатьные во времени наблюдения за потоками СОт и дополнительно СН4.

Таблица 3

Результаты наблюдений за режимными параметрами почв ключевых участков мониторинга ЛОД

КлУ Год Влажность, % Температура, °С рНка Эмиссия СО2, кг/га-час

V VI VII VIII М V VI VII VIII М V VI VII VIII М V VI VII VIII М

1-псв 2009 40,9 34,8 18,2 19,5 28,4 7,1 11,5 14,1 15,2 11,9 4,23 4,50 4,28 4.03 4,26 42,0 26,8 15,8 11.2 23,9

2010 28,7 24,4 19,0 8.1 20,1 11.7 13,5 17,9 22,6 16,4 4,21 4,34 4,55 4.44 4,39 39,4 21,4 8,2 5,8 18,7

2011 26,9 16,6 19,9 18.8 20,6 12,4 14,0 16,2 16,2 14,7 3,88 3,60 3,80 3,96 3,81 36,1 16,8 13,1 12,0 19,5

2012 41.5 25.4 21,2 19,8 26,9 8,4 13,2 18,6 15,8 14,0 3,56 3,20 3,70 3,75 3,55 28,4 17,5 9,8 6.2 15,5

2013 28.8 24.9 30.1 14.6 24,6 11.8 14.2 16.7 15,7 14,5 - 25.3 10.2 8.69 8,16 13,1

М 33,4 25,3 19,6 16,6 23,7 10,3 13,1 16,7 17,5 14,4 3,97 3,91 4,08 4,05 4,00 34,2 18,5 11,1 5,67 18,1

2- ссв 2009 37,9 27,9 16,9 22,7 26,4 7.5 12,5 15,7 18.1 13,5 4,71 4.13 4,51 4,57 4,48 42,0 16.3 15,2 10,2 20,9

2010 22,9 22.1 13,2 7,3 16,4 12,9 15,6 20.1 23,4 18,0 4,10 4,22 4,12 4,20 4,16 22,3 13.0 13.1 6,1 13,6

2011 27,3 25.1 17,2 14,9 21,1 13,0 14,8 18,5 18,5 16,2 3,88 3,53 3,73 3,84 3,75 27,4 14.2 16,0 12,9 17,6

2012 35,6 21,3 18,9 17.4 23,3 8,7 13,7 19,5 15,7 14,4 3,79 3,46 3,64 3,81 3,68 23,4 14,2 9,5 7,04 13,5

2013 28,7 26.3 31,6 22,4 27,3 12,7 15,5 16,1 15.9 15,1 - 15.3 16,94 7.45 6,99 11,7

М 30,5 24.1 16,6 15,6 21,7 10,9 14,2 18,6 18,9 15,6 4,12 3,84 4,00 4,11 4,02 26,1 14,9 10,8 7,25 14,8

з-в 2009 31,0 30,3 24,6 20,0 26,5 10,1 12,2 16,0 16,1 13,6 4,48 3,83 4,28 4,19 4,20 42.0 26.8 15,8 11.2 23,9

2010 27,1 20.6 14,9 7,4 Л 7,! 13,8 16,6 21,8 25,2 19,4 3,94 3,90 4,23 4,08 4,04 39,4 21.4 8,2 5,80 18,7

2011 26,3 17.7 19,9 13,8 19,4 11.8 13,3 17.8 19,0 15,5 3,80 3,74 4,10 4,23 3,97 36,1 16.8 13,1 12,0 19,5

2012 2013 39.6 26,4 17,4 16,7 25,0 7.4 12,7 20,3 15,6 14,0 3,75 3,67 4,12 4,31 3,96 28,4 17.5 9,8 6,20 15,5

34,1 28,1 34.8 21,6 29,7 14,4 15,8 16,6 16,3 15,8 - 25,5 13,7 11,6 5,57 14,1

М 31,6 23,8 19,2 14,5 22,3 11,50 13,7 18,98 18,9 15,79 3,99 3,79 4,18 4,20 4,04 34,3 19,3 11,7 8,15 18,4

4- сюз 2009 29,0 27,4 23.4 21,9 25,4 9,8 12,1 16,4 16,2 13,6 4,12 3,78 4,35 4.24 4,12 33,6 29,2 20,3 9,8 23,2

2010 27.5 24,0 18,4 7,1 19,3 13,2 16,2 21,0 24,0 18,6 4,05 3,96 3,72 4,16 3,97 31.1 20,1 12,5 5,4 17,3

2011 32,2 23,8 18,1 16.1 22,6 13,8 14,9 18,4 21,2 17,1 3,75 3,63 3,82 4,14 3,84 33,0 21,1 16,5 8,6 19,8

2012 43,2 25,4 17.6 18.1 26,1 8,6 13,1 18,4 12.7 13,2 3,80 3,52 3,78 4,09 3,80 23,1 13,3 8,7 7,1 13,1

2013 35,4 29,8 26.3 14.9 26,6 12,8 15,2 15,7 16.2 14,9 - 24,3 15,7 7.37 5.48 13,2

М 33,5 25,2 19,4 15,8 23,5 11,64 14,1 18,6 18,5 15,7 3,93 3,72 3,92 4,16 3,93 29,0 19,9 11,60 6,18 16,8

5- пюз 2009 34,3 32,5 19,9 13,8 25,1 8,5 12,4 14,9 16,2 13,0 4,18 3,87 4,21 4,17 4,11 48,3 29,2 15,2 12,9 26,4

2010 27.2 25,8 14,0 9.9 19,2 12,1 14,0 18,7 23,7 17,1 4,01 3,88 3.97 4,01 3,97 32,6 23,5 11,6 6,1 18,5

2011 33,7 19,9 20.1 17.4 22,8 13,6 14,8 18,8 19,5 16,8 3,43 3,53 3.87 3,43 3,57 40,4 20,7 16,5 14,10 22,9

2012 49,2 27.3 22.4 21.4 30,1 8,4 12,8 18,4 14,5 13,5 3,33 3,56 3,74 3,36 3,50 27,2 17.5 7,1 8,1 14,9

2013 54,6 49.9 29.8 17.7 38,0 13,4 15,5 16,0 16.2 15,3 - 26.7 18.7 10,7 9,88 16,5

М 39,8 26,4 19.1 15,6 25,2 11.2 13,5 17,7 18,5 15,2 3,74 | 3,71 | 3,95 | 3,74 3,78 35,04 21,9 12,06 8.59 19,4

Согласно усредненным за сезон данным наибольшей эмиссией С02 характеризуются подошвы обоих склонов и вершина холма 12,2-13,5 г/м2*день, для склонов на 23-29% меньше: 9,4 - 9,7г/м2*день (Рис. 1). Для всех исследуемых участков, не зависимо от условий увлажнения, характерно поглощение метана (СН4), что, по-видимому, является важной экосистемой функцией изучаемых почв. Наибольшая величина стока характерна для участков склона и подошвы СВ экспозиции - 0,9 мг/м2*день, где почвы менее увлажнены. Для участков на вершине и ЮЗ склоне холма величина стока в 2-3 раза меньше, чем на СВ склоне, вниз по склону сток увеличивается от 0,15 до 0,5 мг/м2*день.

Рис. 1. Сравнительная оценка среднесезонных потоков С02(Л) и СН4(В), температуры(С) и влажностиф) почвы ключевых участков

ссв вмх сюз пюз

пев ссв вмх сюз пюз

4 -о.:о 'к

™ -0,40

а. -0.60

о ё

= -0.80 -1.00

□

Я

В

Детальные во времени наблюдения за эмиссией С02(Рис. 2)демонстрируют, что наибольшей величиной эмиссии характеризуется летне-осенний период, когда температура почвы не опускается ниже 10°С, в теплый период поток колеблется от 14,15 до 25,29 г/м *день. При снижении температуры ниже 10°С почвенное дыхание не превышает 5 г/м *день, а при промерзании почвы практически не фиксируется.

Отмечается высокий уровень зависимости эмиссии С02от температуры почвы, Я= 0,81. Характер взаимосвязи с влажностью почвы носит обратный характер 11—0,45, что связано с подверженностью почв к переувлажнению.

Однако в засушливых условиях может наблюдаться положительная зависимость, как это отмечалось в 2010 г., когда R составлял 0,8.

П.10 гч4'-v4п°> Л4 Л® \а Л V- Л4 (, ' а

о- пУ 'V- »?»■ te- nçy -V о-' ь>.<\> <\> -Л'

-Температура почвы, t°C

Влажность почвы, ?Ь

Рис. 2. Сезонная динамика эмиссии С02(А)леснымн дерново-подзолистыми почвами на фоне сезонного изменения температуры и влажности (В) почвы в верхнем слое (11-10см)

Разделение почвенного дыхания на корневое и микробное проводилось на участках в контрастных позициях рельефа — участке ВМХ и подошве СВсклона. Было выявлено, что для почв обоих участков характерно преобладание вклада микроорганизмов, для почв участка ПСВ вклад дыхания микроорганизмов в общее дыхание почвы больше и составляет 73%. Ядыхания и влажности почвы составил 0,2 для корней и — 0,35 для микроорганизмов. Корреляция дыхания и температуры почвы: 0,61 для корней и 0,68 для микроорганизмов.

Рис. 3 Оценка вклада корневого дыхания и дыхания микроорганизмов в общее почвенное дыхание для почв в контрастных позициях рельефа

Измерения суточной динамикой потока С02 позволили учесть суточную неоднородность потока и ввести поправочный множитель 0,9 - для пересчета данных, полученных в дневное время на среднесуточные значения.

Глава IV Оценка функционального качества почв ключевых участков мониторинга ЛОД

В качестве основных оцениваемых функций были выбраны: функция регулирования состава атмосферного воздуха, лесорастительная и рекреационно регулирующая, так как они представляют наибольшее значение в условиях лесных экосистем рекреационного использования в условиях мегаполиса.

Функция регулирования состава атмосферного воздуха

Функция регулирования состава атмосферного воздуха оценивалась по суммарным величинам почвенных потоков С02и СН4. Установлено, что наибольшей суммарной величиной эмиссии характеризуются участки на подошвах склонов СВ и ЮЗ экспозиций (Рис. 4А) - более 3,3 кг/м2 в год, для участков на склонах суммарная величина эмиссии составила 3,05 и 2,86кг/м2 в год СВ и ЮЗ склонов соответственно.

В течение года эмиссия углекислого газа не одинакова (Рис. 4Б). Наибольшим потоком С02характеризуется летний период 1,78 кг/м2 и осенний 1,18кг/м2. Весной поток значительно меньше, но его величина может сильно варьироваться в зависимости от погодных условий.

пев ссв вмх сюз пюз

Рис. 4 Распределение величины суммарного потока по сезонам (А), суммарная эмиссии С02 почвами ключевых участков за год, кг/м2 (В)

Метан (Рис. 5), в отличие от углекислого газа, поглощается исследуемыми почвами. Наибольший сток отмечался для вершины холма (ВМХ) - 115,16мг/м2 и склона СВ экспозиции - 94,97мг/м2. Наименьший -для участков на подошве склонов.

Рис. 5Суммарный сток СН4 почв ключевых участков мониторинга за июнь-сентябрь

В результате сопоставления эмиссии С02 и фотосинтетической фиксации С в виде биомассы (учтены биомасса напочвенной

растительности, включая подземную часть и опад), было выявлено, что, в целом, изучаемая лесопарковая экосистема находится в состоянии, близком к равновесному, с некоторым

преобладанием поступления С в атмосферу (табл. 4). В пределах исследуемой

трансекты разница между потоком и поглощением колеблется от 0,09 до 0,32 кгС/м2/год. Наибольшая разница между почвенным потоком С и его фиксацией отмечена для участка ПСВ, она составила 0,32 кгС/м2 год, что может быть следствием слабого развития напочвенной растительностии угнетенного состояния древостоя в условиях облегченного грансостава почвы. Наименьшее преобладание поступления С в атмосферу над фиксацией характерно для участков ВМХ и СЮЗ и ССВ - 0,11 кгС/м2 год для участков в среднем, что связано с развитой напочвенной растительностью, обильным подлеском и хорошим состоянием древостоя.

Таблица 4

Сравнительный анализ и оценка эмиссии углерода почвами

КлУ Вегетационный период

Эмиссия СТ, кгС/м2 Фиксация С1, кгС/м2 Баланс СТ-С1 Сток СН4 в гСэкв/м^

I - ПСВ 0,70±0,25 0,37±0,01 0,32 0,44±0,07

2-ССВ 0,51 ±0,19 0,38±0,01 0,13 1,78±0,18

з-вмх 0,66±0,19 0,56±0,12 0,09 2,16±0,3

4-СЮЗ 0,47±0,13 0,38±0,02 0,10 0,66±0,12

5-ПЮЗ 0,69±0,15 0,48±0,01 0,21 1,16±0,15

Для сравнительной оценки потока ССЬв качестве эталонных значений часто используют базу данных «Дыхание почв России» Заварзина Г.А. (2007), полученные методом экспозиционных камер, согласно которой для лесных экосистем южно-таежной зоны с характерными дерново-подзолистыми почвами поток составляет 0,61 кг С/м /год и 0,29 кг С/м2 за вегетационный период. В данном исследовании основная часть данных была получена прямыми измерениями высокочастотным газоанализатором, считающийся более точным, а метод экспозиционных камер использовался дополнительно для сопоставления данных и введения поправки для

эталонных значений. Корреляция между данными, полученными указанными методами 11=0,71. Значения полученные методом прямых измерений в среднем на 0,38 кгС/м2выше. С учетом поправки эталонные значения в пересчете н метод прямых измерений составят 0,99 и 0,6 кг С/м2в год и вегетационный сезон соответственно.

Для выполнения оценки соответствие значений почвенного потока Сдля исследуемых ключевых участков с эталоннымизначениями было выражено в процентах, которые были использованы для составления пятибалльной шкалы. Так, при соответствии более 95% функционирование считалось оптимальным, балл оценки - «1», 80-94% - хорошее - балл «2», 60-79 -удовлетворительное - балл «3», 30-59 - неудовлетворительное - балл «4», менее 29% - критическое - балл «5».

Таблица 5

Сравнительный анализ и оценка эмиссии углерода почвами

фоновых ключевых участков мониторинга

КлУ Вегетационный период Год

Эмиссия С т, кгС/м2 ОФ1 Эмиссия" С Г, кгС/м2 ОФ2 Балл"2 Эмиссия С кгС/м2 ОФ1 Балл1

1 - ПСВ 0,70±0,25 104% 0.27±0,02 93% 1/2 1,11±0,44 112% 1

2-ССВ 0,51±0,19 76% 0.19±0,01 66% 3/3 0,83±0,29 83% 2

з-вмх 0,66±0,19 99% 0.23±0,01 79% 1/3 1,06±0,31 107% 1

4-СЮЗ 0,47±0,13 70% 0.23±0,02 79% 3/3 0,78±0,23 79% 3

5-ПЮЗ 0,69±0,15 102% 0.22±0,02 76% 1/3 0,9±0,19 91% 2

м 0,61 ±0,26 90% 0.23±0,03 78/6 2/3 0,94±0,43 94% 2

1-по методу прямых измерений,2 -по методу экспозиционных камер, ОФ - опенка величины эмиссии относительно эталонных данных по Заварзинув %

Сравнительная оценка данных, полученных методом экспозиционных камер показала, что исследуемые почвы выделяют меньше ССЬ в среднем на 22% (табл. 5). Эмиссия ССЬ с участка ПСВ составила 93% от эталона, с участка ССВ - всего 66%, с остальных участков получены сопоставимые значения порядка 78%. Оценка данных, полученных прямыми измерениями, напротив, в ряде случаев показала незначительное потока над эталонным. Для участка ПСВ превышение отмечено как за вегетационный период (104%), так и за год в целом (112% ). Для участков ССВ и СЮЗ отмечается более низкий поток по сравнению с эталоном, а для ПЮЗ поток выше только в вегетационный период. Для вершины моренного холма в вегетационный сезон величина потока близка к эталонному, а за год на 7% выше, что может быть связано с благоприятным положением в рельефе. По полученным за период исследований данным была построена регрессионная модель, позволяющая спрогнозировать почвенный поток С02 для лесных экосистем в сопоставимых почвенно-климатических условиях с точностью 44% (11=0,66, Я2=0,44) (Рис. 6):

Е=(2,48-0,03*\У+ 0ДЗ*Т-0,8)2,

где Р - почвенный поток С02, Т - температура и¥-влажность почвы:

Доверительные интервалы коэффициентов:а=2,48±0,65; Ь|=0,03±0,008; Ь20,13±0,03;с=0,8±0,3.

Уравнение действует в диапазоне значений температуры почвы 5 - 20°С, и

Рис. бГрафик соответствия смоделированных и измеренных значений почвенного потока СО?

Лесорастительная функция

Лесорастительная функция почв оценивалась по физико-химическим показателям, таким как содержание органического углерода, подвижных форм фосфора и калия, общего азота, кислотности, анализ которых приведен в Главе III (см. табл. 2, 8) и по характеристикам произрастающей на участках мониторинга растительности и ее состоянию (табл. 6 и 7).

Таблица 6

Характеристика растительного покрова ключевых участков мониторинга ЛОД

КлУ Проективное покрытие,% Сомкнутость кроны, % Индекс состояния древостоя Масса травостоя*, г/м2 Масса опада*, г/м2 Запас, м3/КлУ

1 - пев 35-40 55 2.3 57.84 341,11 56.9

2-ССВ 60-70 55 2.9 137,49 306,28 35.5

3-ВМХ 55-60 60 2,2 148.65 407,16 61,1

4-СЮЗ 75-90 85 2,0 201.81 235,16 79,4

5-ПЮЗ 85-90 90 1,7 136.57 310,18 65,6

*- масса после сушки до воздушно сухого состояния

В результате оценки территории по шкале нарушенное™ (табл.7) наименее нарушенные участки выявлены на склоне ЮЗ экспозиции (ГПОЗ и СЮЗ), слабонарушенные на вершине (ВМХ) и СВ склоне (ССВ), наиболее нарушенный участок - на подошве СВ склона.Основными проявлениями нарушений являются малая сомкнутость крон, высокий процент заболеваемости древостоя (до 40%), большое количество усыхающих

деревьев (до 20%). Ключевые участки СВ склона и подошвы характеризуются ослабленным подростом и обильным ветровалом.

Наименее благоприятными характеристиками растительности отличаются участки на склоне северо-восточной экспозиции, где отмечается невысокое проективное покрытие напочвенной растительностью 35-40% на подошве и 60-70% на склоне, низкая сомкнутость крон (55% для обоих участков) и низкий показатель запаса - 3,56 и 2,22 м2/КлУ для подошвы и склона холма СВ экспозиции соответственно. В отношении запаса также необходимо отметить снижение этого показателя для ключевых участков СВ склона по сравнению с показателями 2008 г на 20%. Для участков ЮЗ склона отмечается более низкая масса опада - 235,16 г/м2, что связано с преобладанием хвойных пород на этих пробных площадях.

Таблица 7

Балльная оценка состояния растительности на исследуемых

ключевых участках

Сомкнутость крон, Проективноепоч.По крытие, запас Оценка функционирования Балл Заболеваемость, поврежденность подроста

100-80 оптимальное 1 <20

80-60 хорошее 2 20-30

60-40 удовлетворительное 3 30-40

40-20 неудовлетворительное 4 40-50

<20 критическое 5 >50

Для оценки состояния растительности на изучаемых участках в дополнение к известной шкале оценки состояния древостоя Алексеева было решено провести комплексную оценку и по другим компонентам фитоценоза (табл. 7). Оценка запаса производилась относительно средних данных для кварталов в пересчете на ключевой участок: 7 квартал 60,8 м3/КлУ, 10 квартал - 105,6 м3/КлУ (Наумов, 2009).Для оценки были использованы характеристики, оцениваемые в процентах, для которых была создана шкала (от 0 до 5) и каждому диапазону значений был присвоен соответствующий балл.

Таблица 8

Комплексная оценка состояния растительного сообщества на

ключевых участках мониторинга

КлУ Сомкнутость крон Заболеваемость Проектив н. почв.покр ов Поврежд енность подроста Запас Гумус, % рНКС1 (IV, г/см3 Ит ог

% Б % Б % Б % Б % Б М %/Б м %/Б М %/Б

пев 65 1,75 40 4 37,5 3,1 30 3 94 1 2,31 78/2 3,68 98/1 1,13 19/1 2,1

ССВ 65 1,75 30 3 65 1,7 25 2,5 58 3 1,33 45/3 3,96 106/1 1,2 26/2 2,2

вмх 70 1,5 20 2 57,5 2 6 0,6 101 1 3,24 109/1 3,91 104/1 1,13 19/1 1,3

сюз 85 1 5 1 77,5 1 14 1,4 75 2 1,68 46/3 3,62 97/1 1,29 32/3 1,7

пюз 90 1 10 1 87,5 1 15 1,5 62 2 2,84 78/2 3,76 100/1 1,24 27/2 1,4

13 результате комплексного анализа с использованием приведенной выше шкалы было выявлено, что наиболее угнетенным состоянием растительности характеризуются участки на подошве склона северовосточной экспозиции и самом склоне, по результатам комплексной оценки баллы 2,1 и 2.2 соответственно (табл. 8).Для остальных участков комплексная оценка выявила оптимальное состояние 1,3 — 1,7 балла.

Рекреационная функция

Территория ЛОД является зоной активной рекреации. В результате подсчета количества прохожих в выходные и будние дни было установлено, что наиболее посещаемыми являются участки на подошвах холма и склоне СВ экспозиции (Табл. 9). Участок ВМХ расположен за ограждениями, поэтому прохожие здесь отсутствуют. Количество кострищ учитывалось в зоне видимости рядом с участком.В результате подсчета установлено, что наибольшее количество кострищ находится на склонах обеих экспозиций (ССВ и СЮЗ). Наибольшая площадь тропнночной сети характерна для участка на подошве СВ склона и для склона ЮЗ экспозиции. С дорожно-тропиночной сетью [порядка (крупные грунтовые дороги, пригодные для автотранспорта, разделяющие территорию ЛОД на кварталы) граничат участки на склоне и подошве ЮЗ экспозиции, а также вершина холма, последний участок отделен от дороги сплошным заграждением. С дорожно-тропиночной сетью Ипорядка (организованные пешеходные проходы) граничат участки на склоне и подошве СВ экспозиции, а также на склоне ЮЗ экспозиции.

Таблица 9

Оценка рекреационной нагрузки на ключевые участки

_исследования ЛОД_

КлУ Прохожих в час Кострища Площадь тропиночкой сеч», м" 11рилеганне к дорожно-'фопниочной сети

выходные будни

1 порядка 11 порядка

1 - пев 24 10 1 11 -

2-ССВ 16 7 4 9 - +

3-ВМХ 0 0 2 - -

4 - СЮЗ 5 1 3 13 + +

5 - ШОЗ 35 14 1 5 + -

Глава V Экологическая оценка устойчивости к рекреационной нагрузкепочв ключевых участков мониторинга ЛОД

Основным критерием рекреационной нагрузки является уплотнение почвы, которое наглядно проявляется в повышении плотности тропнночной сечи, изреживаиии и изменение характера напочвенной растительности. Участками со средним уровнем антропогенного воздействия считались площадки, 10-20% территории которых представлены тропами, с сильным -20-50%. Полученные данные показали высокую зависимость свойств почвы от степени антропогенного воздействия на нее (табл. 10).

Для всех ключевых участков характерно увеличение плотности почвы с повышением уровня антропогенной нагрузки в среднем на 20% по сравнению с фоном, причем,в результате более плотные почвы характеризуются меньшей увлажненностью, коэффициент корреляции между этими признакам» колеблется от -0,72 до - 0,92. для разных ключевых участков. В уплотненном слое почвы может создаваться дефицит влаги, негативно сказывающийся на развитии растений и почвенных микроорганизмах.

Таблица 10

Физико-химические показатели почв с разным уровнем антропогенной нагрузки (для Ь=10 см)

КяУ уровень » влаж->юс-ь. W, % Д Фон '.% [Ш01-HÍJC'lb, Г/СМ'" 4 фон ea ¡ VMVC Vft Д фон Pj05 (чг-'кг) A фон, о/, pIT KCI A фон %

пев 34.8i0.2 íib.'-V U.líO.t - : : 2.14*0.5 ,, - v «>7,5*7.5 : . > 3,93*0,1 1

средняя 34,2*0.1 U6±o.t + 12 2.3±0,33 +7 ¡40+10 + 16 4,49+0,15 + 14

сильная 31.8±0,5 -8 1,45*0.03 +28 1,97*0.24 -8 287,5*12.5 ■'■■11 4,58-10.24 t!7

ссв Íфон: 36.8x0,6 :т.2*0,оз: 2.29 -0,05 - : ; : i 17.-5 . 3.77 MU 4

средняя 29.0Н,4 -21 1.32Ю.03 -10 2.3:1:0,1 M 140123 * 20 4.1+0.12 ■'9

сильная 26,8*1,6 -27 1.53*0,05 -28 1.84:0.1 -21 180*20 s-54 4.2*0.24 ; 11

в й: фон < 38.2 ¡0.7 1.13.-0.06 i- : 1,98*0,08 195±30: -. í. 3,78*0,07

средняя 30,2± 1.6 -21 l,25±0,04 + 1 1 1.93*0.13 - 247.5+2.5 +27 3,95*0.05 +4

сильная 27.2+1,4 -29 1.55*0,1 +37 1,2+0.2 -39 260+15 +33 4,49*0,16 + 19

сюз (¡>01! 39.2 i0, S - : - 1,29*0,02 2.7-0.07 187,5412,5 V.: - v 3,84+0,06 - ■

средняя 38,2=0,4 -3 1,37*0.06 +6 2,3*0.1 -15 270+5 -1-44 4,09*0.04 -<-7

сильная 24,lil,l -39 1.63i.0.04 -26 1,844-0,13 -32 400*10 •H 13 4.34*0.12 + 13

пюз : tbOEt 32,Ы),3 - 1,24.1.0.04 : - 2.6 ! 0. : : - 225■24 : - 3,62*0,22 ; - :

средняя 23,9* l.t -26 1,21 ±0,04 -2 2,44*0.21 -6 185+15 -18 4,58+0,15 +27

сильная 19,3+1.8 -40 1,54*0,03 -24 1,97+0.17 -24 400*16 +7S 4,73*0,09 +31

Содержание гумусас увеличением плотности почв, а, следовательно, и рекреационной нагрузки, снижается. Снижение содержания гумуса составляет от 88 до 33% по сравнению с фоном. При этом наибольшим снижением характеризуется почвы склона ЮЗ экспозиции, что характеризует их, как мене устойчивые. Коэффициент корреляции но разным ключевым участкам в среднем составляет -0.9.

Содержание подвижных форм фосфора, напротив, с увеличением антропогенной нагрузки повышается. Коэффициент корреляции между данными по плотности почв и содержанию фосфора колеблется от 0,82 до 0,98. Накопление в верхнем горизонте фосфора может быть связано с ухудшением условий промывания почв и перемещением его в нижележащие горизонты. С увеличением плотности почвы также отмечается снижение кислотности с кислой до средне кислой. Повышение значения рН в среднем составляет 12-14% но сравнению с фоном, более значительное повышение отмечается для почв подошвы ЮЗ склона - 24%.

Увеличение рекреационной нагрузки также сказывается на биологической активности исследуемых почв (табл.П).Повышение

плотности почв, приводящее к снижению влажности и уменьшению объема пор, заполненных газом, вызывает устойчивое снижение эмиссии ССьв течение всего сезона наблюдений. Снижение величины эмиссии для почв подошвы н склона СВ экспозиции и для склона СВ экспозиции составляет 15-30% но сравнению с фоновым уровнем, для подошвы склона ЮЗ экспозиции может достигать 50%, что характеризует участок как наименее устойчивый. Для вершины холма, напротив, характерно увеличение почвенного потока ССЬ при увеличении рекреационной нагрузки.

Таблица 11

Режимные наблюдения за эмиссией ССЬна участках с разным

уровнем антропогенной нагрузки, кг/га/ч

КлУ ССЬ. кг/га/ч

апрель май июнь июль август

М п М а М <5 М а М а

ПСВфои 21,1 1,18 12,2 0,72 13,2 0,72 14,2 0,32 13.2 0,72

ПС Вер - - 10.85 4,59 11,02 0.94 12,52 0.07 11.02 0,94

ПСВсил - - 10,47 2,55 9.97 0,27 10.68 0.35 9,97 0,27

ССВфон 11,65 1.045 12.05 0,13 13,2 0.72 13,72 0,29 13.2 0,72

ССВср - - 9.59 0,62 10.96 1.69 12,08 0.07 10,96 1,69

ССВсил - - 8,9 0,08 9.44 0,22 10.87 0.22 9,44 0,22

Вфои 18.01 2,88 9,45 0,68 10,41 0.27 12,46 0,09 10.41 0,27

Вер - - 8,73 0,64 9.73 0,64 1 1,46 0.17 9,73 0,64

Веил - - 12.61 1,21 12,94 1,16 14,36 0.12 12.94 1,16

СЮЗфон 20.61 1,28 10.02 0,09 10.54 0.77 13,02 0,61 10.54 0,77

СЮЗср - - 8.8 0,50 9.1 0,08 11,08 0,06 9.1 0,08

СЮЗсил - 7.3 0,31 8.3 0.31 9.58 0.12 8.3 0,31

ШОЗфол 24,95 1.045 10.47 2,55 11.24 1.62 12,78 0,90 1 1.24 1.62

ПЮЗер - 8.78 0,63 9.9 0.81 9.51 1,16 9.9 0,81

ПЮЗсил - - 5,23 0.64 6.46 0,48 6.83 1.01 6,46 0,48

Таким образом, почвы склона и подошвы ЮЗ экспозиции при увеличении рекреационной нагрузки проявляют меньшую устойчивость, что проявляется в более существенных изменениях физико-химических почвенных параметров, почвенного дыхания и изменении характера растительности. Причиной меньшей устойчивости почв ЮЗ экспозиции может являться сезонное переувлажнение.

Па основе данных но физико-химическим и режимным параметрам почв фоновых участков и почв со средним и сильным уровнем рекреационной нагрузки была проведена оценка устойчивости почв с использованием шкалы по табл. 7. В оцениваемые параметры вошли влажность, плотность почвы, содержание гумуса и подвижных форм фосфора, рН солевой вытяжки и эмиссия СО;,как наиболее подверженные изменениям. В оценку не включалась температура почвы, т.к. ее изменения с увеличением рекреационной нагрузки не превышают 9%.

Таблица 12

Оценка устойчивости почв расположенных в разных элементах мезорельефа к рекреационной нагрузке

КлУ к фону Б плота ость, Л фоп.% Б Гумус, % к фот! Б Р.О., д <1юп:% Б рНкс!, д фон,% Б Поток СО-. % к фону Б Ср. Б

ПСВср 98 1 -И2 1 107 1 +16 1 + 14 1 77 о 1

пев™., 92 1 +28 2 98 1 +72 5 +17 1 70 2 Л

ССВСр 79 + -но: 1 101 1: +20 1 ;г;.+9.:: 1 100 1 1

ССВсм 73 2 2 2 * 54 ■ 5 : 7+12 ■■-. 1 89 1 •Л

ВМХср 79 2 +11 1 100 1 +27 2 +5 1 82 1 1

вмх,„, 71 2 +37 3 61 +33 3 +19 1 109 1 2

0ОЗ,р 97 1 ЯГ+бУ 1 Ш 857 1 +44 4 !6 1 74 2 ; ■-> ^

пои, 61 2 : 2 68 +113 5 +13 1 65 2 : 2

ПЮЗС|, 74 2 _2 1 94 1 -18 1 +27 2 67 о 2

ПЮЗсл 60 3 +24 Л 76 л +78 5 +31 3 44 3 3

Б-оцснка в Баллах по шкале чабл. 4.2.3; Ср.Б - средний балл

В результате оценки было выявлено, что наиболее подвержены изменениям в результате рекреационной нагрузки почвы на подошве и склоне ЮЗ экспозиции, характеризующиеся периодическим подтоплением. Наиболее изменяемые в результате рекреационного воздействия параметры: содержание подвижного фосфора, влажность почвы и эмиссия СО:. Уменьшение содержания гумуса по отношению к фону (участкам с минимальной рекреационной нагрузкой) для участков с сильным уровнем нагрузки достигало 61 - 68% от фонового значения. Существенное изменение рН почвы отмечается только для подошвы ЮЗ склона - на 31% больше фонового значения для участка с сильным уровнем нагрузки.

Таким образом, ключевые участки па подошве и склоне ЮЗ экспозиции, не смотр» на более благоприятное исходное состояние, по результатам оценки являются менее устойчивыми к рекреационной нагрузке.

Выводы

1. В результате исследований выявлена существенная пространственная изменчивость основных режимных и физико-химических показателей почв ключевых, участков. Почвы на юго-западном склоне более влажные (влажность выше на 4-20%) и теплые (температура в среднем выше на 1°С), содержат больше подвижного фосфора (разница с северо-восточным склоном до 37%). На фоне общей тенденции к понижению рН, почвы в пониженных элементах рельефа имеют более кислую реакцию среды (менее 3,55 для подошв склонов и более 3,65 для «стонов и вершины холма). Наиболее богаты органическим веществом почвы на вершине холма и склона юго-западной экспозиции (3,84 и 2,84% соответственно).

2. Анализ функции регулирования состава атмосферного воздуха позволил выявить, что исследуемые почвы являются источником С02, при этом почвы юго-западного и северо-восточного склона выделяют порядка 2,86-2,95 кг/м" СО:, а почвы подошв указанных склонов и вершины 3,33-4,07 кг/'м' в год, также исследуемые почвы являются стоком для метана, почвы вершины и СВ склона поглощают наибольшее количество метана - 115,16 и 94,97 г за вегетационный сезон.

3. Многолетние наблюдения показали наличие сезонной и межсезонной динамики эмиссии С02 почвами. Основными определяющими ее факторами являются температура (Я=0,81) и влажность почвы. При этом зависимость от влажности почвы неоднозначна: в условиях экстремально-засушливого 2010 года зависимость была прямой 11=0,81, в годы с обычными условиями увлажнения зависимость носит обратный характер, с И=-0,45.

4. Для всех исследуемых участков выявлено преобладание эмиссии над фогосшпетн ческой фиксацией СО;. При этом наибольшая разница между эмиссией и фиксацией характерна для подошв склонов(0,32-0,21 кгС/'м"), наименьшая для - вершины холма (0,09 кгС/м").

5.Сравнительная оценка почвенного потока С02 с эталонными данными показала, что почвенный поток СО; лесных экосистем в условиях мегаполиса в среднем за год ниже, чем в условиях ненарушенных рекреационной нагрузкой лесов. При этом наблюдается взаимосвязь с положением участка в рельефе - для подошвы СВ склона и вершины холма отмечено превышение потока над эталоном на 12 и 7%, для остальных участков - снижение на 817%.

6.Анализ лесорастительных характеристик ключевых участков показал значительное ухудшение условий для участков на СВ склоне, где наблюдается заметное ухудшение состояния древостоя с практически полным выпадением отдельных пород, отмечается изреживание напочвенного покрова и нарушение сомкнутости крои древостоя. Фиксируется также снижение запаса в среднем на 22% по сравнению с данными 2009 г. Ухудшение условий для СВ склона может являться последствием засухи 2010 г.

7. В результате исследования воздействия рекреационной нагрузки на почвы ЛОД было установлено, что в переуплотненных почвах происходит снижение влажности в уплотненном горизонте (разница до 10%), уменьшается содержание гумуса (снижение от 8-20% на СВ склоне до 2540% на ЮЗ склоне), но увеличивается количество подвижного Р (увеличение в 2 раза), так же происходит снижение эмиссии СОг на 15-50% но сравнению с фоном.

8. Проведенные исследования позволили выявить ряд методически важных моментов, во-первых, при выборе объектов необходимо учитывать весь набор факторов, способных повлиять на пространственное разнообразие исследуемых характеристик, включая слабоконтрастные условия мезорельефа, во-вторых, при исследовании почвенного потока

ССЬнеобходимо учитывать его высокую пространственно-временную

неоднородность, в частности суточную изменчивость, которая может быть

учтена с помощью поправочных коэффициентов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации: Журналы из списка ВАК:

1. Vasenevl.I., VizirskayaM.M., VasenevV.I., ValentiniR., RaskatovaT.V.; Comparativeanalysisofprincipalfactorsofspatial-temporai variability of C02 emission from Moscow urban soil with various levels of anthropogenic impact; Известия TCXA, 7 Выпуск (специальное издание) 2012. - р102-П2

2. Визирская М.М., Васенев В.И., Епихина A.C., Мазиров И.М., Васенев И.И., Валентини Р.«Ишюваниониые методы мониторинга парниковых газов представительных ландшафтов мегаполиса» Россия, Москва, «ВестникРУДН. Сер. Агрон. иживотнов.». М., № 4, 2012.-е 43-55

3. Тихонова М.В., Епихина A.C., Визирская М.М., Васенев И.И., Валентини Риккардо. Экологическая оценка пространственно-временной изменчивости почвенной эмиссии N20 на лесном участке природного заказника «Петровско-Разумовское» «Вестник РУДН. Сер. Агрон. и животное.». М., № 5, 2013.-cl01 -114

4. Визирская М.М.. Епихина A.C., Васенев В.И., Мазиров И.М., Эльвира А. И., Гусев Д., Тихонова М.В., Васенев И.И. «Экологическая оценка роли городских газонов в формировании потоков парниковых газов» Россия, Москва, «Вестник РУДН. Сер. Агрон. и животнов.». М., № 5, 2013.-с40-52

Статьи в сборниках п тезисы:

5. ВизирскаяМ.М., "Ecological assessment of dynamic soil parameters in the megapolises protected areas", The 9ih International Student Summit Vol.9.; Tokyo, 2009. - 266 - 276p.

6. Визирская M.M., Смольянинова О.И.; Почвенно-экологический мониторинг Особо охраняемых природных территорий на примере Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА,; «Материалы по изучению русских почв».Х[ УДокучаевскне молодёжные чтения «Органо-минеральная матрица почв». СПб.: С116ГУ, 2010,- с. 25-27

7. Смольянинова О.И., Визирская М.М.; Экологический мониторинг растительных сообществ ООПТ на примере ЛОД РГАУ - МСХА имени К. А. Т н м и р язе в а; «М а гериа л ы по изучению русских почв».Х1\'Докучаевские молодёжные чтения. СПб.: СПбГУ, 2010. - с.44-45

8. Визирская М.М., СмольяниноваО.И.:Экологическая оценка режимных параметров дерново-подзолистых почв ООПТ в пределах мегаполиса на примере ЛОД РГАУ-МСХА;Сборник тезисов международного научно-экологического форума. М.: «СОЮЗ», 2011,- с4-6

9. Смольянинова О.И., Визирская М.М.; Экологическая оценка детальной структуры почвенного покрова и растительности ЛОД РГАУ-МСХА в

условиях различной рекреационной нагрузки.; Сборник тезисов международного научно-экологического форума. М.: «СОЮЗ», 2011.-с14-15

Ю.Визирская М.М., Смольянинова О.И.;Экологическая оценка режимных параметров дерново-подзолистых почв ООПТ в пределах мегаполиса (на примере ЛОД РГАУ-МСХА) ,; «Материалы по изучению русских почв».ХУДокучаевские молодёжные чтения «Почва в условиях природных и антропогенных стрессов». СПб.: СПбГУ, 2011.- с. 302-303

11.Смольянинова О.И., Визирская М.М.; Экологическая оценка детальной структуры почвенного покрова и растительности Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА в условиях различной рекреационной нагрузки,; Материалы по изучению русских почв».ХУДокучаевские молодёжные чтения. СПб.: СПбГУ, 2011.- с.171-172

12.Визирская М.М., Смольянинова О.И.; Функционально-экологическая оценка лесных подзолистых почв в условиях Московского мегаполиса (на примере ЛОД РГАУ-МСХА) ,; «Материалы по изучению русских почв».ХУ1 Докучаевские молодёжные чтения «Почва как природная биогеомембрана». СПб.: СПбГУ, 2012,- с 172-173

13.Визирская М.М., Смольянинова О.И.; Экологическая оценка структуры растительного покрова ЛОД РГАУ-МСХА в условиях различной рекреационной нагрузки; «Материалы по изучению русских почв».ХУ1 Докучаевские молодёжные чтения. СПб.: СПбГУ, 2012.- с270-272

14.Визирская М.М., Епихина A.C., Мазиров И.М..; Влияние типа землепользования на эмиссию парниковых газов почвами в условиях московского мегаполиса; «Материалы по изучению русских почв».ХУИДокучаевские молодёжные чтения. СПб.: СПбГУ, 2013.-c.156-157

15.Vizirskaya М.М., Epikhina A.S.., Vasenev 1.1., Valentini R.; « The Land-use influence on soil GHG emission in condition of Moscow megalopolis» Austria, Vienna, Geophysical Research Abstracts EGU2013-12479. - 2013. - №15

16.Визирская M.M., Епихина A.C., Мазиров И.М. M.B. Тихонова.; Анализ пространственно-временной изменчивости почвенных потоков парниковых газов представительных ландшафтов мегаполиса; Материалы по изучению русских почв». СПб.: СПбГУ, 2014. -с.14-16

17. Vizirskaya М.М., Epikhina A.S., Vasenev I.I., Valentini R.; « Assessment of soil GHG emission in different functional zones of Moscow urbanized areas» Austria, Vienna, EGU2014-518. - 2014. - №16

18.Визирская M.M., Тихонова M.B., Епихина A.C., Мазиров И.М.; Экологическая оценка почвенных потоков парниковых газов лесных подзолистых почв мегаполиса; Материалы по изучению русских почв, Сб. науч. докл., Вып. 8 (35), 2014. - С.228-231.

Подписано в печать 15.09.2014 г. Формат 60х84'/16. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 100 экз. Зак. 256.

Издательство РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева 127550, Москва, Тимирязевская ул., 44 Тел.: 977-00-12, 977-40-64