Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическая оценка состояния особо охраняемых природных территорий биоиндикационными методами

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка состояния особо охраняемых природных территорий биоиндикационными методами"

005043423

На правах рукописи

Луговская Людмила Александровна

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ БИОИНДИКАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ (на примере Хоперского государственного природного заповедника)

Специальность 25.00.36 — геоэкология

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 7 МАЙ 2012

Астрахань - 2012

Работа выполнена на кафедре экологического образования Воронежского государственного педагогического университета

Научный руководитель:

кандидат географических наук, доцент Межова Лидия Александровна

Официальные оппоненты:

Бананова Валентина Алексеевна доктор географических наук, профессор, Калмыцкий государственный университет, профессор кафедры ботаники и зоологии

Гребенюк Галина Никитична доктор географических наук, профессор, ЗАО «ТюменьНИПИнефть», заместитель генерального директора по развитию и науке

Ведущая организация:

Липецкий государственный педагогический университет

Защита состоится «31» мая 2012 года в 09.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.04 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета

Автореферат разослан « 28 » апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат (2 экземпляра, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, д. 1, АГУ, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.009.04.

Факс (8512) 52-49-92

E-mail: miolin76@mail.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент

М.М. Иолин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

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

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

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

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

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

анатомической фитоиндикации.

Научная новизна диссертации заключается в следующих положениях:

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

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

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

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

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

- проведен геоэкологический анализ состояния дубравных лесных геосистем ХГПЗ;

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

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

Апробация и публикации результатов исследования. Обоснованность выводов диссертационного исследования обеспечивается большим объемом фактического материала, полученными в процессе полевых исследований, обработанных методом математической статистики. Основные положения работы докладывались на научно-практических Всероссийских (Воронеж, 2002, 2009) и межрегиональных конференциях: «Состояние особо охраняемых территорий Европейской части России» (Воронеж, 2005-2009), «Территориальная организация общества и хозяйства» (Воронеж, 2008, 2009), «Эколого-географические исследования в речных бассейнах» (Воронеж 2009), на VI Большом географическом фестивале (Санкт-Петербург, 2009), в материалах географического съезда РГО РФ (Санкт-Петербург, 2010). Основное содержание работы диссертационной работы изложено в 28 публикациях, в том числе в 3 статьях опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Теоретико-методические основы изучения качества среды с использованием методов биоиндикации» проанализировано современные состояние проблемы мониторинга качества среды с точки зрения динамики развития и эволюции основных теоретических подходов в определении целей, задач, структурных этапов различных видов и направлений биоиндикационных исследований. Дана характеристика основных типов моделей для исследования структуры, функционирования и динамики природных геосистем с использованием ГИС-технологий. Биоиндикационными исследованиями и изучением лесных геосистем Хоперского государственного природного заповедника занимались В.М. Еремин, A.C. Исаев, Г.И. Золотохин, A.A. Овчеренко, C.B. Зонн, С.Н. Машкин, Ф.Н. Мильков, A.A. Молчанов, Ю.А. Нестеров, В.Д. Новосельцев, И.М. Науменко, В.Г. Шаталов, П.Т. Калашникова, С.И. Канашова, Г.Ф. Морозов, С.А. Красовская.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В третьей главе «Структура и динамика природных процессов среднего течения долины реки Хопра в пределах Хоперосого государственного природного заповедника» Хоперский государственный природный заповедник расположен в речной долине среднего течения реки Хопер, на востоке Воронежской области. Анализ динамика климато-гидрологических показателей показал влияние

гидрологического режима пойменной территории на развитие и устойчивость биоценозов во многом зависит от систематических односторонних отклонений и соответствующего воздействия фактора в течении года. Гидрологические условия являются важнейшим фактором, влияющим на состояние и устойчивость биоценозов заповедника и особенно пойменных. Именно в период систематически минимального уровня наблюдалось массовое усыхание ильмовых в начале периода, которое затем охватило дубравы и другие породы.

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

прочие земли;_^ пески; 41 —пашня; 41

25

болота; 408

усадьбы; 66

дороги; 114

сенокосы; 649

воды; 971

□ пашня Ш сенокосы □ воды □ дороги

■ усадьбы □ болота ■ пески □ прочие земли

Рис. X. Распределение заповедника по категориям земель

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

•ВЮг

•В53г.

•965 г.

200В г.

□ Сосна В Дуб □ Ильмовые □ Ясень, клен ■ Осина

□ Ольха ■ Липа, береза □ Тополь, ветла ■ Тальник

Рис. 2. Динамика преобладающих лесных пород

Динамика развития леса на территории Хоперского государственного заповедника рассмотрена с 1940 по 2008 год, на основе которых выявлены

закономерности функционирования лесных геосистем.

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

2008 Г яч а -1-_- ( ЛАЛ .Л

I I '

2003 я.ч .Я «ИЯмОР

I Г I I

1965 г яч С: 4Й А №

1Я53 г 83,4 ( 1«« 9

1940 ( 9П ^ ... (¿<

/ У / /

0,2 0,4 0,6 0,8 1

□ Лесная площадь, га ЕЗ Нелесная площадь, га

Рис. 3. Динамика лесных насаждений Хоперского государственного заповедника

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

700060005000 40003000' 2000 1000-о

□ 1933 г Ш1965 г

□ 1981 г

□ 2003 г ■ 2008 г

IV V VI VII Итого

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

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

Основным фактором почвообразования в пойме Хопра являются аллювиально-пойменные процессы, которые заключаются в периодическом затоплении поймы и отложений наносов. В прирусловой пойме формируются аллювиальные почвы, а в центральной пойме супесчаные и зернисто-суглинистые, в притеррасной пойме довольно часто встречаются иловато-болотные почвы. Повышения поймы Хопра

заняты песчано-пылеватыми почвами, а понижения заняты слоисто-зернистыми

супесчаными, суглинистыми почвами, который имеют тяжёлый механический

состав. Следует отметить, что потенциальное плодородие иловато-болотных почв

сковывается анаэробными процессами, а в засоленных почвах увеличением

концентрации солей. Составленная на основе имеющихся картографических и

проведенных авторских исследований почвенная карта представлена на рис. 5.

Условные обозначения:

Аллювиальные псмвьг конусов выноса оврагов Тсрфяно-глеевые иловатые Лугово-болотные глеево-иловатые почвы Иловато-суглинистые огненные

Иловато-аллювиагьные слабо слоистые на »лона* песчашх отложения

Слоисто-супесчаные суглинистые аллювиальные Солонцеватые суглинистые почвы юго-восточных склонов Хопра Серые глубоко гумусированные супесчаные почвы

Светло-серые глубоко гумусированные песчаные почвы

Темно-серые сунмнистые почвы склонов

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

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

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

Лесных геосистемы Хоперского государственного заповедника обладают высшим | классом геоэкологического значения, выполняя защитное берегозащитную,

почвозащитную, водоохранную, кольматирующую и руслосберегающую роль. Проведенное исследование пространственной структуры дубравных геосистем, их территориальное размещение дубрав в пределах заповедника показало: в левобережной части поймы преобладание ранней разновидности дуба. Распределение площадей по породам и группам возраста и оценка состояния приводится в табл. 1.

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

Условные обозначения:

Пойменный тип местности. 1.Прирусловая пойма. 2.Урочшца береговых валов, кос и ивняково-злаково-разностравное. З.Урочшца ложбинных понижений ветлово-вязово-тополиные. 4.Центральная пойма. 5.Дубравы ежевичные. 6. Дубравы крапивные на серых лесных почвах. 7.0соково-мятликовые луга в сочетании с дубово-тополево-вязовыми участками на песчано-супесчаных почвах. 8.Урочища пологоволнистых поверхностей с дубово-вязово-осино-осокорно-ежевично-крапивными на серых лесных суглинистых почвах. 9.Урочшца заболоченной поймы по межгривным понижениям. 10.Урочища полого наклонной поймы с дубравами ландышевыми на слабо аллювиальных глеевых супесчаных почвах. 11.Урочища дубравы ландышево-ежевично-крапивной на супесчано-супганистых почвах. 12.Урочшца дубравы ежевично-крапивной на глеевых аллювиальных почвах. 13.Урочшца дубравы осоково-злаковой. 14.Урочшца ольшаника ежевично-крапивного. 15.Урочища вырубок. 16.Урочшца высокотравных лугов на пологоволнистой пойме на местах вырубок. 17.Урочища ивняково-дубовые луговые на ровных пойменных участках на луговых пойменных почвах в сочетании с осиново-серебристо-тополевыми урочищами. 18.Урочища дубравы ежевично-крапивно-злаковой на полупогребенных почвах центральной поймы. 19.Урочища высокопродуктивных зрелых дубрав центральной поймы в сочетании ландышевых и ежевично-крапивных на серых лесных почвах. 20.Урочшца разнотравно-луговые в сочетании с дубравами на границе прирусловой и центральной поймы на пологогривистой поверхности. 21.Урочища старичных западин на тяжело-супганистых и глинистых болотистых оглееных почвах. 22.Урочища ивняков в пределах западин. 23.Урочища сырых лугов на глеево-аллювиальных суглинистых почвах. 24.Урочшца травяных болот на пойменно-лесных торфяных почвах. 25.Урочища ольшаников на глеево-аллювиальных почвах. 26. Урочища вязовые в сочетании с луговыми по берегам старичных озер. 27. Урочшца лугово-ивняковые осинниковые на глеево-аллювиальных суглинистых почвах. 28.Дубравы разнотравно-луговые на пойменно-луговых почвах. 29.Урочища дубрав разнотравно-ежевичные на серых лесных почвах. ЗО.Урочшца заросших озер стариц. 31.Урочища разнотравных луговых мелких западин. 32.Урочища ольшаников на болотах в притерассной пойме. Надпойменно-терассовый тип. 33.Урочшца пырейно-разнотравной степи. 34.Урочгаца ковыльно-разнотравной степи. 35. Урочища сосняков на серых лесных почвах. Зб.Урочища разнотравных лугов 37.Урочища бугристых песков полынно-чабрецовые. Склоновый тип местности. 38.Байрачные дубравы на серых лесных почвах. 39.Нагорные дубравы на серых лесных смытых суглинистых и глинистых почвах. 40.Дубравы снытъево-ландышевые на конусах выноса балок.

Таблица 1

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

№ Преобладающие породы Общая пл. покрытая лесом, га Возраст Распределение по труппам, га

Молодой Средний Приспевающий Спелый

1 Дуб высокоствольный 4203 101 10 1130 1866 1197

2 Дуб низкоствольный 1894 81 0 220 378 1296

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

Таблица 2

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

Характеристика усыхания Показатели устойчивости

Отпад 2007 г. Отпад 2008 г. 2007 г. 2008 г.

№ % отпада % отпада ЕЗш Рпэт Раи Рн

N0, Gov NjaNn Ой Gn ЕВи PQO7 N„, Gos NfflNn Gn ESüS Pqos Пуст РП08 Рн Пуое

1 2 1617,7 0,8 0,7 1,14 1 254,5 0,4 0,1 4,00 0,88 1,46 0,95 0,25 0,21 0,26

2 3 3617,8 1,0 1,5 0,67 2 232,2 0,7 ОД 7,00 1,50 2,94 1,65 0,14 0,20 0,15

7 2 3771,0 1,7 2,9 0,59 2 1971,9 1,7 1,5 1,13 1,71 3,87 1,90 0,88 2,00 0,98

8 2 1516,5 1,4 1,5 0,93 1 1392,0 0,7 1,4 0,50 1,07 2,11 1,18 2,00 1,97 2,10

Усыхание более мелких деревьев второго яруса обеспечило сохранение «очень высокой» степени устойчивости (табл.3) По материалам учёта отпада в дубравах позднораспускающейся фенологической разновидности при небольшом его увеличении сохранилась «высокая» степень устойчивости при Пуо7 = 0,96.

Таблица 3

Оценка и устойчивость дубрав заповедника

Дуб фенологической разновидности Количество ППП Показатели устойчивости

2007 г. 2008 г.

Eto Рпот Еаи Рн Пу07 Раи Poos ЕЗй Рн Пу08

Позднораспускающейся 3 0,82 2,84 0,96 0,52 1,07 0,57

Ранораспускающейся 9 0,61 1,09 0,66 0,57 0,64 0,60

Дубравы ранораспускающейся фенологической разновидности по данным учётов отпада на девяти ППП в целом так же сохранили «высокую» степень устойчивости при среднем Пу07 = 0,66, против Пу0б = 0,76, по отдельным пробным площадям значительно варьирует: так на ППП №№ 14,31,1л/о и 2л/о в 2007 г. усыхание (и отпад в целом) отсутствуют и Пу07 соответственно равен «0», т.е. степень устойчивости здесь «очень высокая». На ППП №№25 и 3 л/о степень устойчивости от «очень высокая» в 2006 г. снизилась до «высокой» в 2007 г. при Пу равном соответственно 0,83, и 0,82. На ППП №30 отпад за два года был абсолютно одинаковым и степень устойчивости так же одинаковая «средняя» при Пу = 1,28. Подобный факт наблюдался и на ППП № 5 л/о, но здесь из-за отпада по 2 крупных дерева и в 2006 г. и в 2007 г. отмечается «слабая» степень устойчивости,

соответственно, при Пу0б = 1,77 и Пу07 = 1,90. На ППП № бл/о увеличился отпад в 2007 г. и степень устойчивости снизилась от «высокой» до «средней» при Пу07 = 1,18. В целом же, как отмечено выше, по среднему Пу07 в дубравах ранораспускающейся фенологической разновидности дуба сохранилась «высокая» степень устойчивости. Имеющийся спектр лесных фитоценозов определяется разнообразием условий геосистем, сформированных под влиянием факторов среды, изменяющих свою динамику в связи с особенностями физико-географическими поймы. Анализ физико-географических факторов среды позволяет использовать разнородные по генезису элементы долинной геосистемы для апробации методик биоиндикации для целей мониторинга. Среди которых наиболее эффективными являются исследования дубравных фитоценозов в качестве эдификатора дуба черешчетого.

В четвертой главе «Результаты сопряженного применения методик морфолого-анатомического строения дуба черешчатого» Представлены результаты апробации методики флуктуирующей асимметрии листа дуба. Размеры листа имеют сильное варьирование в связи с генетически закрепленной нормой реакции. Размер листа определяется в оптимальных условиях наличием адаптации в виде листовой мозаики для эффективного использования света и его определяет размер зависит от места нахождения его в кроне. Модификационная изменчивость и связанная с ней способность к адаптации, обеспечивающая гомеостаз как конкретного организма, так и популяции в целом - важнейший процесс, обеспечивающий ответную реакцию организма на изменение факторов среды. Явление симметрии (асимметрии) у живых организмов является одной из ключевых характеристик во взаимосвязях с факторами окружающей среды. Оценка степени отклонения от средней или нормы является важным показателем стабильности показателя признака, посредством которого возможна интегрированная оценка всего комплекса условий. Анализ флуктуирующей асимметрии как метод оценки и прогноза изменений состояния геосистем под влиянием не только антропогенных воздействий, но и природных факторов требует разработки специфических шкал для оценки каждого конкретного вида растительного организма, учитывающей диапазон нормы реакции конкретной популяции.

Метод определения флуктуирующей асимметрии занял прочное место в арсенале современных подходов в анализе системы морфологических признаков и факторов среды с оперативным получением количественных результатов. Предпринятая нами попытка разработки подобной шкалы связана с проблемой репрезентативности полученных результатов, добиться которой возможно лишь увязав полученные результаты с выводами из другой методики, в частности с морфолого-анатомической биодиагностикой стебля. Сравнительный анализ результатов, полученных с использованием исследований анатомической структуры осевых побегов и методики флуктуирующей асимметрии листовых пластин позволил проверить диапазон колебания признаков различных органов растения и рекомендовать обе методики для использования с целью оценки комплекса параметров состояния окружающей среды. Результаты, полученные при использовании методики флуктуирующей асимметрии представлены на рис. 7.

Как показал статистический анализ параметров флуктуации внешнего расстояния между двумя боковыми жилками, этот параметр имеет значительную

вариабельность в связи с зависимостью от двух условий - длине самой боковой жилки и угла отхождения от центральной жилки.

флуктуация внешнего растояння между боковыми флуктуация длины боковых жилок

жилками

Дуб же, имея лопастную форму листа, наделен в этом отношении некоторой долей свободы в формировании признака, что объясняется модификационной изменчивостью признака в зависимости от условий освещения и возрастной стадии. Исходя из вышеизложенного мы не считаем возможным рекомендовать этот признак для биодиагностических целей. В отличие от предыдущего признака, флуктуация параметров размеров боковых жилок листа дуба (рис. 8) демонстрирует закономерность изменения с достаточно высокой степенью достоверности, что вполне объяснимо в связи с особенностями формирования проводящих пучков листовой пластинки. В тоже время использование этого признака также не представляется возможным из-за высокой корреляции в формировании проводящей системы листа в целом, где наблюдается определенный компенсаторный эффект между ростовыми параметрами комплекса жилкования между боковыми жилками больших порядков и центральной жилкой листа (рис. 9).

флуктуация ширины листа

Рис. 7. Динамика флуктуации параметров Рис.8. Динамика флуктуации

внешнего расстояния между боковыми жилками параметров боковых жилок листа дуба в

листа дуба черешчатого, произрастающего в разных условиях местообитания разных условиях местообитания

№ участки

Хг участка

I 0.104 I 0.077 I 0.0Я I 0.063 I 0.<И8 I 0.032 1 0.033 I 0.016 I 0.014 1 0.014 I

Рис. 9. Динамика флуктуации размеров отрезка центральной жилки между боковыми жилками листа дуба черешчатого, произрастающего в разных условиях местообитания

флуктуация 1Л1>гака центральной жилки

Рис. 10, Динамика флуктуации ширины правок и левой частей листа дуба черешчатого, произрастающего в разных условиях местообитания

| Сравнивая полученные трендовые кривые этого признака с параметрами

флуктуации размеров отрезка центральной жилки между боковыми жилками листа это можно четко визуально отметить, что подтверждают данные статистического анализа. Различие этого признака в разный, пробных площадях парадинамических комплексов наблюдается достаточно четко. Однако вариабельность вызвана прежде всего расстояние заложения первой и второй боковых жилок не строго супротивно, а на некотором расстоянии друг от друга.

Динамика флуктуации ширины правой и левой частей листа дуба (рис. 10) четко подтверждается в связи с функциональным значением поверхности листа, выполняющей функцию улавливания солнечной радиации для осуществления процесса фотосинтеза. Изменение этого признака по мере изменения условий в разных в разных речных долинах идут плавно, а сами параметры флуктуации изменяются на значительную величину. В этой связи данный признак может быть использован в качестве биоиндикационного для оценки состояния условий произрастания дуоа. Постепенное уменьшение параметров на порядок позволяет выделить участки кривой распределения для выявления качества среды. Предложенный нами диапазон значения флуктуирующей асимметрии носит искусственный характер, как будет проиллюстрировано ниже на примере реакции гистологических элементов тканей коры и древесины, выбор диапазона подтверждается в реакции модельных деревьев в определенных нами пробных площадях на разных природных комплексах.

Предлагаемые нами значения флуктуирующей асимметрии для биодиагностики состояния среды использованы нами для ранжирования природных комплексов с разным набором абиотических факторов по степени комфортности для

произрастания дуба черешчатого. Результаты апробации методики оценки качества среды с использованием параметров гистологических элементов стебля дуба показал варьирование в широких пределах в зависимости от условий среды обитания параметров ширины коры (табл. 4). Это тесно связано с выполняемой функцией проведения метаболитов, количество которых зависит в свою очередь от развития фотосинтетического аппарата кроны. Ширина коры зависит от условий конкретного года, запасных веществ, накопленных в предыдущий год в ранее сформированном стебле, а также корреляции потребностей организма в целом для вертикального и горизонтального транспорта метаболитов.

Таблица 4

Ширина коры 1-летнего стебля дуба черешчатого в разных условиях лесных геосистем, мкм

№ участка Мер + ш б с О Р

1 3%,0 28,91 144,55 36,5 13,69 7,3

4 495,2 29,93 149,65 30,22 16,54 6,04

6 560,4 31,23 156,15 27,86 17,94 5,57

9 710,7 39,30 196,5 27,65 18,08 5,53

В исследованных нами образцах модельных деревьях пробных площадей речной долины ширина годичного кольца! варьирует от 396,0 до 782,2 мкм, что

составляет около 100%. Это говорит как о широкой норме реакции признака, так и возможности использования количественного параметра признака для целей биоиндикации. Общая схема строения тканей и слагающих их гистологических элементов представлена на рис 11.

Рис. 11. Фрагмент радиального среза через флоэму ствола стебля дуба черешчатого на высоте 1,3 метра, произрастающего в разных условиях: 1-проводящая флоэма, 2-пснроводящая флоэма, З-флоэмные волоком, 4-ситовадные клетки, 5-сердцевинные лучи, 6-паренхимные клетки

В рамках целостного растительного организма в разных частях стебля норма реакции значительно ниже (максимальное значение не превышает 24%), что так же подтверждает возможность его использования. По периметру самого стебля еще меньше и колеблется от 13 до 19%. Это колебание определяется ориентацией побега в пространстве, архитектурными особенностями расположении побега в кроне, ориентацией кроны в пространстве по отношении к источнику света и сторонам горизонта, а также взаиморасположением соседних побегов. Важным является учет целостной реакции растительного организма, выраженной в компенсации низких

значений параметров одних побегов увеличением других. Тем не менее, индивидуальная реакция отдельных органов внутри растения ниже по сравнению с изменением параметров на уровне двух разных модельных деревьев одной пробной площади, а тем более из разных комплексах (рис 12).

800 700 • § 600 ° 500

--*

----

----■--

§ 400 \ зэл 200 • юо • ~в "-

|—— 396 | 436,6 | 475,2 | 495,2 | 544,2 | 560,4 | 615,3 | 672,2 | 710,7 | 782,2

№ участка

Рис.12. Ширина коры 1-летнего стебля дуба разных условий произрастания, мкм

Рис. 13. Ширина механического кольца 1-летнего стебля дуба в разных условиях биотопов, мкм

Рис. 14. Ширина годичного слоя ксилемы стебля дуба черешчатого, мкм

Достоверность различий между параметрами образцов с разных пробных площадей на разных участках речной долины выявлены, достаточно большой диапазон колебания параметра, составляющий до 2,2 раза (рис. 13) позволяет использовать его для комплексной оценки качества среды обитания. Как для коры, так и для древесины характерны количественные изменения параметра признаков при сохранении качественных и структурных признаков. На рис. 14 показана ширина годичного слоя кселемы. На основе проведенных исследований построена картосхема, выявляющая закономерности комфортности среды обитания в зависимости от физико-географических условий (рис. 15).

Условные обозначения:

1 - Дискомфортные

2 - Среднекомфортные

3 - Комфортные

Рис. 15. Картосхема степени комфортности среды обитания дуба черешчатого

Взаимосвязь изменения параметров стабильно прослеживается по годам на основе ретроспективного анализа структурной реакции древесины, подтверждая выявленную закономерность изменения в разных лесных геосистемах. Анализируя изменение количественных параметров ширины годичных колец древесины в разных участках стебля, следует отметить общую тенденцию по мере оптимизации условий в разных природных комплексах.

Методика морфолого-анатомической реакции дуба черешчатого для оценки качества среды» содержит алгоритм оценки качества среды методом флуктуирующей асимметрии листа дуба черешчатого (Рис. 16.)

Выбор ТИПИЧНОГО \/частка

Учетом геоморфологического особенностей анализа ландшафтных характеристик

Закладка пробных площадок

Согласно ОСТ 56-69-83

Выбор модельных пеоевьев

№

Ис = 1КМ/И

Измерение признаков

в>

Ширина левой и правой половин листа, длина второй от основания листа жилки второго порядка, расстояние между основанием первой и

второй жилок II порядка, расстояние между концами жилок, угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой порядка

Оценка флуктуирующей ассиметрии

Оценка состояния среды с использованием шкалы флуктуирующей асимметрии дуба черешчатого

ПТл/гоискяя. 201 П

Рис. 16. Оценка качества среды методом флуктуационной ассиметрии листа дуба

черешчатого

Таким образом, приведенные исследования позволяют предложить комплекс признаков и определить диапазон их колебания, пригодных для целей биодиагностики. Обращаем внимание на взаимосвязь представленных в таблице показателей. Это позволяет, учитывая соотношение согласованной реакции по ограниченному количеству признаков, идентифицировать условия среды обитания с одной стороны, а с другой - предположить ответную реакцию в других органах растения.

Рис. 17. Алгоритм оценки качества среды с использованием анатомических показателей дуба

черешчетого

Приведенный алгоритм (Рис.17) оценки качества среды отражает последовательность мероприятий по использованию параметров анатомического строения стволовой части и побегов дуба черешчатого и служить для диагностики методом биоиндикации не только эталонных территорий, но и техногенных измененных геосистем с высокой степенью эффективности без затрат на проведение физико-химического мониторинга и обладающих комплексностью в связи с интегральным характером сформированных признаков. Количественные показатели параметров распределены на группы по степени оптимальности в связи с интенсивностью деятельности образовательных тканей под влиянием комплекса условий среды, и отражают совокупность благоприятных факторов по формированию гистологических элементов в процессе роста и развития организма.

Приведенные в таблице 5 данные, наряду с анатомическим признаками, входят в состав диагностических параметров для экспресс-анализа с использованием ГИС-технологии. Мы рекомендуем для использования шкалу оценки степени воздействия пессимальных факторов по анатомическим признакам в виде компьютерной программы.

Таблица 5

Шкала оценки комфортности среды обитания дуба черешчатого по значению

Параметры условий Оптимальные Субоптималные Субпессимальные Пессимальные

условия условия условия условия

Значение флуктуации ширины листа ниже 0,033 0,033 до 0,048 0,048 до 0,063 выше 0,063

Интегральные количественные показатели биодиагностики представлены в таблице 6.

Таблица б

Количественные показатели параметров гистологических элементов и тканей дуба черешчатого для биодиагностики состояния среды

Показатель Оптимальные условия Субоптимальные условия Субпессимальные условия Пессимальные условия

1-летний побег

Ширина коры, мкм 710,7 и более 560,4 495,2 396,0 и менее

Ширина перидермы 62,4 и более 60,1 52.3 48,9 и менее

Ширина мех. кольца, мкм 136,2 и более 86,4 77,2 62,3 и менее

Толщина стенок, мкм 4,3 и более 4,2 3,6 3,1 и менее

Срдн.диаметр клеток, мкм 13,9 и более 12,8 12,1 10,4 и менее

Ширина провод, луба, мкм 180,2 и более 144,6 111,1 73,8 и менее

Кол. клет провод, луба, пгг 16,0 и более 15,0 12,0 8,0 и менее

Рад.оазмеп ситв клетк,мкм 11,9 и более 10,1 9,0 7,9 и менее

1,3 метра

Ширина коры, мкм 4698,7и более 4560,4 3951,2 3634,0 и менее

Ширина пров. луба, мкм 171,1 и более 145,5 132,1 126,2 и менее

Кол. клеток пров.луба, пгг 14,0 и более 13,0 11,0 10,0 и менее

Рад. размер ситовд.кл. мкм 12,9 и более 12,2 12,1 11,9 и менее

Диаметр просвет сосуд ран. древ., мкм 110 и более 99 75 65 и менее

Ширина годич слоя древ, мкм 290 и более 274 200 170 и менее

Таким образом, на наш взгляд, взаимосвязь морфологических и анатомических признаков листа и стебля дуба черешчатого положены в основу программы комплексной оценки состояния окружающей среды. Количественные показатели анатомических структур являются важным критерием для научного обоснования нормирования техногенного воздействия.

Заключение

Основная цель диссертационной работы заключалась в выявление параметров биоиндикационных диагностических признаков структуры органов дуба черешчатого - эдификатора эталонных участков для оценки состояния комфортности среды на основе методики геоэкологического анализа динамики дубравных геосистем речной долины для диагностики природных и антропогенных факторов, структуры листа и стебля дуба черешчатого в зависимости от комплекса абиотических факторов в условиях территории заповедного режима позволил сделать следующие выводы:

- недостаточность разработанности проблемы оценки комфортности среды для растительного организма восполнена нашим исследованием с точки зрения взаимосвязи методик оценки с использованием экспериментальной проверки выявленных закономерностей структурных изменений и параметров морфологического и анатомического строения на комплекс факторов среды для мониторинга;

- научное обоснование нормирование среды эффективно с йспользованием разработанных нами методов оценки эталонных участков особо охраняемых территорий мониторинг на основе параметров гистолого-анатомических исследований и морфологических показателей с использованием ГИС-технологий, в дальнейшем быть использовано для мониторинга антропогенно измененных геосистем.

Для оценки результатов, полученных с использованием методов исследования анатомической структуры и методики флуктуирующей асимметрии листовых пластин были выявлены взаимосвязи с абиотическими факторами геосистем, полученными с использованием почвенно-геоморфологических,

экологоценотических и ландшафтно-картографических методов исследования; использование морфолого-анатомической структуры биоиндикаторов, являющейся зеркальным отражением всего комплекса разнородных воздействий, совместно со сравнительной оценкой сред возможно только с учетом репрезентативности количественных параметров, выявленных нами в ходе исследования.

Апробации методик с использованием морфологического и анатомического строения для мониторинга разнородных по генезису дубравных геосистем, показала - для биодиагностики подходят признаки имеющие достоверность отличий и широкий диапазон колебания: для исследования флуктуирующей асимметрии из для дуба подходит ширина листа относительно центральной жилки.

На основе разработанных нами шкал флуктуирующей асимметрии и анатомо-гистологической реакции стебля дуба возможна оценка степени комфортности среды.

Сравнительный анализ результатов методик флуктуирующей асимметрии и анатомо-гистологической реакции стебля показал репрезентативность результатов двух методик, что позволяет их использование в биоиндикационных целях. К числу биодиагностических признаков предлагаемых нами относятся в однолетнем стебле -ширина коры, перидермы, механического кольца, толщина и средний диаметр стенок клеток механического кольца, ширина проводящего луба, количество клеток проводящего луба и радиальный размер ситовидных клеток. На уровне ствола 1,3 метра - ширина коры и проводящего луба, количество клеток проводящего луба, радиальный размер ситовидных клеток, диаметр просветов сосудов ранней ксилемы и ширина годичного слоя ксилемы.

На основе качественных признаков анатомического строения, имеющих количественные изменения при изменении факторов среды нами разработана шкала и алгоритм для биодиагностики комфортности среды.

Разработанная методика оценки оптимальности среды по совокупности морфолого-анатомических показателей основана на применении модели структурной реакции, Подобный подход с использованием растительного объекта является перспективным для мониторинга природной среды в условиях глобального изменения климата и интенсивных антропогенных ее трансформаций.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией ВАК РФ:

1. Луговская, Л.А. Геоэкологическая оценка эффективности использования маргинальных зон особо охраняышх территорий на примере Хоперского государственного заповедника [Текст] /Л.А. Луговская, Л.А. Межова //Естественные и технические науки (188№1684 -2626.). - 2009. - С. 239-242.

2. Луговская, Л.А. Дендроиндикация с использованием параметров анатомического строения дуба черешчатого [Текст] /Л.А. Луговская //Проблемы региональной экологии. - №5. - 2009. - С. 137-140.

3. Луговская, Л.А. Биоиндикация геоэкологических условий с использованием дуба черешчатого (Quercus robur L.) для мониторинга среды [Текст] /Л.А. Луговская, Л.А. Межова //Проблемы региональной экологии. - №2. - 2012. - С. 65-68.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Луговская, Л.А. Методические рекомендации к организации научно-исследовательской деятельности студентов на ландшафтной практике в ХГПЗ (учебно-методическое пособие) [Текст] /Л.А. Луговская, Л.А. Межова - Воронеж: ВГПУ, 2011. -42 с.

5. Луговская, Л.А. Оценка эстетического восприятия ландшафта [Текст] /Л.А. Луговская //Проблемы регионального природопользования и методика преподавания естественных наук в средней школе. Материалы III региональной научно-практической студенческой конференции. - Воронеж: ВГПУ, 2001. - С.124 - 127.

6. Луговская, Л.А. Экология Хреновского бора [Текст] /Л.А. Луговская //Проблемы регионального природопользования и методика преподавания естественных наук в средней школе. Материалы V региональной научно-практической студенческой конференции. - Воронеж: ВГПУ, 2001. - С. 146-150.

7. Луговской, А.М Консорционный анализ сосняков, сформированных под влиянием атмосферного загрязнения [Текст] /А.М. Луговской, Л.А. Луговская //Территориальная организация общества и управление в регионах. Материалы V всероссийской научно-практической конференции. — Воронеж: ВГПУ, 2002. - С. 178 -180.

8. Луговская, Л.А. Анализ структуры административных органов управления для создания единой системы мониторинга качества окружающей природной среды [Текст] /Л.А. Луговская, A.M. Луговской //Вестник Воронежского института экономики и социального управления. Вып. 2-3. Воронеж: ВИЭСУ, 2007. - С.23-26.

9. Луговской, A.M. Оценка комфортности среды с использованием морфолого-анатомический показателей сосны [Текст] /А.М. Луговской, Л.А. Межова, Л.А. Луговская //Доклад о государственном надзоре и контроле за использованием природных ресурсов и состоянием окружающей среды Воронежской области в 2006 году - Воронеж: ГУП ВО«ВОТ-Из-во», 2007. - С. 6671.

10.Луговской, A.M. Метеорологические ресурсы как лимитирующий фактор развития туризма в условиях буферной зоны территории федеральной и муниципальной собственности [Текст] /А.М. Луговской, Л.А. Луговская //Реформа местного самоуправления: опыт и проблемы реализации. Сборник статей VII

межрегиональной научно-практической конеренции - Воронеж: ВИЭСУ 2008 - С 146-148.

11.Луговскал, Л.А. Хоперский государственный природный заповедник в системе ООПТ Воронежской области [Текст] /Л.А. Луговская //Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов. Материалы региональной научно-практической конференции - Воронеж: ВГПУ 2008. -С. 212-217.

12.Межова, Л.А. Современные направления научно-исследовательской деятельности заповедника [Текст] /Л.А. Межова, О.И. Трещалина, Л.А. Луговская //Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов. Материалы региональной научно-практической конференции. - Воронеж-ВГПУ, 2008.-С. 217-229.

13. Луговскад, Л.А. Система дополнительного экологического образования и воспитания в структуре общего и дополнительного образования [Текст] /Л.А. Луговская, A.M. Луговской //Вестник Воронежского института экономики и социального управления. Вып 1. - 2008, март №1. - Воронеж: ВИЭСУ, 2008 - С 3439.

14.Луговской, А.М., Метеорологические ресурсы как лимитирующий фактор развития туризма, в условиях буферной зоны особо охраняемых природных территорий [Текст] /A.M. Луговской, Л.А. Луговская // Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов. Материалы региональной научно-практической конференции. - Воронеж: ВГПУ, 2008 - С 285287.

15. Луговской, A.M. Структура и динамика луговых геосистем поймы Хопра в пределах Хоперского государственного заповедника [Текст] /A.M. Луговской, Л.А. Луговская, Л.А. Межова //Эколого-географические исследования в речных бассейнах. Материалы третьей международной научно-практической конференции -Воронеж: ВГПУ, 2009. С.-232-235.

16.Луговской, A.M. Роль учета социально-экологических факторов при территориальном планировании развития муниципальных образований [Текст] /А.М. Луговской, Л.А. Луговская // Территориальная организация общества и управление в регионах. Материалы VIII всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж: ВГПУ, 2009. С.-365-368.

17.Луговская, Л.А. Геоэкологическая оценка эффективности биомониторинга в управлении особо охраняемыми территориями (на примере Хоперского государственного заповедника) [Текст] /Л.А. Луговская, Л.А. Межова //Территориальная организация общества и управление в регионах. Материалы VIII всероссийской научно-практической конференции - Воронеж: ВГПУ, 2009 С -358360.

18.Луговская, Л.А. Дендроиндикационный мониторинг с использованием анатомического строения сосны обыкновенной и дуба черешчатого в условиях особо охраняемых [Текст] /Л.А. Луговская, A.M. Луговской, Л.А. Межова //Доклад о государственном надзоре и контроле за использованием природных ресурсов и состоянием окружающей среды Воронежской области в 2008 году - Воронеж- ГУП ВО «ВОТ-Из-во», 2009. - С. 131-135.

19.Луговской, A.M. Социально-экологические аспекты территориального

планирования развития муниципального образования [Текст] /А.М. Луговской, Л.А. Луговская //Вестник Воронежского отдела Русского географического общества. -Воронеж: ВГПУ, 2009. - С. 34-36.

20.Луговская Л.А Экологические проблемы Хоперского заповедника [Текст] /Л.А. Луговская //Вестник Воронежского отдела Русского географического общества. - Воронеж: ВГПУ, 2009. - С. 73-76.

21.Луговская Л.А. Методы оценки возможного влияния экотуризма на ландшафты хоперского государственного природного заповедника [Текст] /Л.А. Луговская //Вестник Воронежского отдела Русского географического общества. -Воронеж: ВГПУ, 2009. - Т.9 - С. 73-79.

22.Луговская Л.А. Методы оценки взаимного влияния экотуризма на ландшафты Хоперского государственного природного заповедника [Текст] /Л.А. Луговская //Вестник Воронежского отдела Русского географического общества. -Воронеж: ВГПУ, 2009. - С. 73-79.

23.Межова, Л.А. Экогуризм - перспективное направление использование территории ООПТ в рекреационной деятельности [Текст] /Л.А. Межова, Л.А, Луговска, Ю.В. Пожидаева //Рекреационная деятельность в регионе: современные проблемы развития, территориальная организация и управление. Материалы всероссийской научно-практической конференции - Воронеж, 2009. - С. 56-58.

24. Луговская Л.А. Современные геоэкологические проблемы Хоперскогс государственного природного заповедника [Текст] /Л.А. Луговская //Актуальны« проблемы эволюции географического пространства. Сборник статей по материала!« научно-практической конференции студентов, аспирантов и преподавателей в рамка? VI Большого географического фестиваля - Санкт-Петербург, 2009. - С. 147-152.

25.Межова, Л.А. Метеорологические ресурсы как лимитирующий фактор развития туризма в условиях буферной зоны особо охраняемых природные территорий [Текст] /Л.А. Межова, О. И. Трещалина, Л.А. Луговская //Вестнш Воронежского отдела Русского географического общества. - Воронеж: ВГПУ, 2010. -С. 72-74.

26. Луговская, Л.А. Роль биоиндикационных исследований в научно исследовательской деятельности Хоперского государственного природногс заповедника [Текст] /Л.А. Луговская, Л.А. Межова //Вестник Воронежского отдел! Русского географического общества. - Воронеж: ВГПУ, 2011. - С. 45-49.

27. Луговская Л.А. Особенности формирования пойменных почв Хоперскоп государственного природного заповедника [Текст] /Л.А. Луговская //Вестнш Воронежского отдела Русского географического общества. - Воронеж: ВГПУ, 2011. С. 66-70.

28.Луговская, Л.А. Структура и динамика геоэкологического состояни: лесных геосистем Хоперского государственного заповедника [Текст] /Л.А Луговская, Л.А. Межова //Проблема управления социо-эколого-экономическим] рисками водохозяйственного природопользования. Сборник статей - Воронеж ВГПУ, 2012. - С. 54-66. .

Научное издание

Луговская Людмила Александровна

ГЕОЭКОЛОГИЯ ЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ БИОИНДИКАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ (на примере Хоперского государственного природного заповедника)

Специальность 25.00.36 — геоэкология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано в печать 24 04 2012.Формат 60x84'-.«. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура «Тайме». Усл.печ.л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,16. Заказ 122 Тираж 100 экз. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный педагогический университет» Отпечатано в типографии университета. 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86. Тгл. (473) 2-55-58-32,2-55-61-83

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Луговская, Людмила Александровна, Воронеж

61 12-11/169

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ БИОИНДИКАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ (на примере Хоперского государственного заповедника)

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

На правах рукописи

Луговская Людмила Александровна

Научный руководитель -к.г.н., доцент Межова Л.А.

Воронеж-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ КАЧЕСТВА

СРЕДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОМ БИОИНДИКАЦИИ.............9

1.1. Современные состояние проблемы мониторинга качества среды.........9

1.2. Современное состояние проблемы биоиндикации среды

на основе морфолого-анатомической структуры..................................14

1.3. Современное состояние проблемы биоиндикации среды с использованием параметров морфолого-анатомических признаков .. 20

1.4. Состояние проблемы индикации качества среды обитания для

целей мониторинга....................................................................................27

2. МЕТОДЫ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ООПТ.....................32

2.1. Методы исследования компонентов лесных геосистем........................32

2.2. Методики биоиндикационных исследований.........................................40

3. СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СРЕДНЕГО

ТЕЧЕНИЯ ДОЛИНЫ РЕКИ ХОПРА В ПРЕДЕЛАХ ХОПЕРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПРИРОДНОГО ЗАПОВЕДНИКА.......................50

3.1. Физико-географические особенности территории заповедника..........50

3.2. Динамика климатолого-гидрологических показателей на территории заповедника...........................................................................52

3.3. Структура педо-биотических особенностей поймы р. Хопер...............56

3.4. Ландшафтно-экологическая структура парагенетических геосистем Хопра........................................................................................64

3.5. Структура и динамика геоэкологического состояния

лесных геосистем......................................................................................72

3.6. Геоэкологическое значение лесных геосистем Хоперского государственного заповедника................................................................87

3.7. Пространственная структура дубравных геосистем..............................89

4. РЕЗУЛЬТАТЫ СОПРЯЖЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИК МОРФОЛОГО-АНАТОМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО...............................................................................................93

4.1. Результаты апробации методики флуктуирующей асимметрии

листа дуба..................................................................................................93

4.2. Результаты апробации методики оценки качества среды с использованием параметров гистологических элементов

стебля дуба...............................................................................................ЮО

4.3. Обсуждение результатов исследований и использование методик морфолого-анатомической реакции дуба черешчатого для оценки

123

качества среды.........................................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................130

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................154

ВВЕДЕНИЕ

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

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

всего комплекса факторов обширных территорий различного структурного состава. Пойменные леса в пределах Среднерусской лесостепи имеет специфическую структуру, обладает особым составом и механизмом устойчивости, которая отличается от зональных. Рациональное использование их биоэнергетического потенциала и особенности их охраны - одна из важнейших проблем современности в связи с их водорегулирующим, почвозащитным, эколого-гигиеническим и культурно-эстетическим значением. Выявление закономерностей геоэкологической дифференциации природных флуктуаций и тенденции развития геосистем охраняемых территорий в условиях глобальных изменений имеет актуальное значение для прогноза.

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

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

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

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

мониторинга среды;

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

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

- разработать ГИС-технологию использования биоиндикации для

изучения особо охраняемых природных территорий для экспресс геомониторинга.

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

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

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

Организация и методика исследования. Материалы для данной работы были собраны автором лично в течение периода с 2003 по 2009 гг. на особо охраняемой природной территории Хоперского государственного заповедника и его буферной зоне. Всего было собрано 600 образцов на 10 модельных участках. Проведены исследования почв и геоморфологические описания на основных стационарных участках. Исходная информация, кроме личных

полевых стационарных и лабораторных исследований автора, получена из фондовых материалов Хоперского государственного природного заповедника, из литературных и картографических источников. Для решения поставленных задач использовались следующие методы: картографический, биодиагностический, статистический, геохимический, сравнительно-географический, ландшафтно-типологический. Наряду с традиционными методами использовался разработанный авторский метод морфолог-анатомической фитоиндикации.

Научная новизна диссертации заключается в следующих положениях:

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

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

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

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

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

- проведен геоэкологический анализ состояния дубравных лесных

геосистем ХГПЗ;

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

Практическая значимость работы. Материалы исследования используются при оценке функционального режима лесных геосистем территорий, находящихся под влиянием техногенных факторов независимо от

их происхождения. Результаты исследования и методики предоставлены в распоряжение научного отдела Хоперского государственного природного заповедника. Полученные методики могут быть положены в основу мониторинга и ведения лесного кадастра охраняемых территорий в пределах Русской равнины, а также в преподавании спецкурса «Методы географических исследований» на естественно-географическом факультете Воронежского государственного педагогического университета.

Апробация и публикации результатов исследования. Обоснованность выводов диссертационного исследования обеспечивается большим объемом фактического материала, полученными в процессе полевых исследований, обработанных методом математической статистики. Основные положения работы докладывались на научно-практических Всероссийских (Воронеж, 2002, 2009) и межрегиональных конференциях: «Состояние особо охраняемых территорий Европейской части России» (Воронеж, 2005-2009), «Территориальная организация общества и хозяйства» (Воронеж, 2008, 2009), «Эколого-географические исследования в речных бассейнах» (Воронеж 2009), на VI Большом географическом фестивале (Санкт-Петербург, 2009), в материалах географического съезда РГО РФ (Санкт-Петербург, 2010). Основное содержание работы диссертационной работы изложено в 28 публикациях, в том числе в 3 статьях опубликованы в изданиях,

рекомендованных ВАК РФ.

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

1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СРЕДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОМ

БИОИНДИКАЦИИ

1.1. Современные состояние проблемы мониторинга качества среды

Начиная с середины 70-х годов XX века концепция мониторинга силами отечественных и зарубежных ученых существенно видоизменяется, при этом обнаруживается существенная разница в подходах. Отечественный подход ярко выражен в определении Ю.А. Израэль [55,3]: «мониторингом целесообразно называть систему наблюдений, позволяющую выделить изменения состояния биосферы под влиянием человеческой деятельности», тогда как зарубежное понимание мониторинга состоит лишь в системе повторных наблюдений компонентов окружающей среды в пространстве и времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой (Mann, 1973). Акцентируя внимание на роли хозяйственной деятельности человека (Израэль, Ю.А.), в структуре мониторинга включает следующие элементы [55]:

1. Наблюдение за изменением факторов, воздействующих на состояние окружающей среды; оценка конкретной экологической ситуации; прогноз тенденций и оценка состояния окружающей среды.

Задачами мониторинга является организация масштабных наблюдений за изменением состояния биосферы в целом с обнаружением источников воздействия, оценка наблюдаемых изменений под валянием антропогенного фактора, прогноз тенденций изменения состояния биосферы. Безусловно, исследователи отмечают необходимость целенаправленной программы наблюдений за мониторингом компонентов природной среды [104]. Опыт по реализации комплексного мониторинга подчеркивая особую роль экологических факторов, Ю.А. Израэль (1984) отмечает что «мониторинг является информационной системой со сложной комплексной многоцелевой задачей научно обоснованным управлением качеством природной среды».

Мониторинг при организации системы наблюдений и контроля за состоянием среды включает Герасимов, И.П. три этапа[23]:

9

1. На первом этапе, используя показатели качества здоровья населения, наблюдение за состоянием окружающей среды проводится с точки зрения влияния на здоровье человека.

2. На втором этапе объектом исследования выступают территориальные геосистемы с использованием показателей массоэнергообмена, биопродуктивности, величины предельно допустимых концентраций загрязнителей, способность геосистем к самоочищению на базе стационаров и

ключевых участков.

3. Третий этап состоит в наблюдении за глобальными компонентами окружающей среды - физико-химическим состоянием атмосферы, гидросферы, биосферы, используя сеть биосферных полигонов, включающей кроме техногенных территорий систему около 200 биосферных заповедников[8].

Вторым направлением, кроме комплексного биосферного мониторинга, выделяют мониторинг отдельных компонентов среды (атмосферы, гидросферы, геологической среды, педосферы) на региональном и локальном уровнях. Технологический мониторинг уровня загрязнения включает фиксацию загрязнителей, их пространственно-временное распределение, контроль за мероприятиями по уменьшение их вредного влияния, прогноз изменения концентрации загрязнителей локальных источников[160].

Выделяют различные подходы к классификации видов мониторинга как по характеру загрязнения среды, так и по методам или целям наблюдения. Это создает проблемы в подходах к тому или иному виду мониторинга, которые, впрочем, зачастую дополняют друг друга[3].

В связи с размером территории различают базовый, фоновый или биосферный (биосфера в целом без учета региональных экологических ситуаций), глобальный (общемировые процессами и явлениями в экосфере Земли), региональный (процессами в пределах региона с внутренними отличиями природными и антропогенными компонентов), импактный или локальный (экологическая ситуации в районе источника загрязнения).

В последнее время интенсивно развивается управление геосистемами с точки зрения моделирования взаимоотношений антропогенной деятельности и

10

процессами в геосистемах. Моделирование (от лат. Modulus - мера, образец) геосистем рассматривается как важное средство их исследования. Модель в геоэкологии, включая в начале исследований информацию, является программой и подводит итог конкретного цикла исследований [67].

Анализ основных типов моде�