Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оценка рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова особо охраняемых природных территорий Удмуртии

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова особо охраняемых природных территорий Удмуртии"

005061524

На правах рукописи

•„■■¿'С:/

БОРИСОВА Елена Анатольевна

ОЦЕНКА РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ УДМУРТИИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

13 ИЮН 2013

Пермь-2013

005061524

Работа выполнена на кафедре инженерной защиты окружающей среды ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кургузкин Михаил Георгиевич

Научный консультант: доктор медицинских наук, профессор

Пономарев Сергей Борисович

Официальные оппоненты:

Воронов Георгий Анатольевич - доктор географических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», профессор кафедры биогеоценологии и охрана природы

Кулагин Алексей Юрьевич - доктор биологических наук, профессор, ФГБУН «Институт биологии Уфимского научного центра РАН», заведующий лабораторией лесоведения

Ведущая организация: ФГБУН «Институт экологии растений и животных УрО РАН»

Защита диссертации состоится 27 июня 2013 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Учёного Совета.

Адрес сайта: http://www.psu.ru E-mail: shibanova7@mail.ru Факс: 8(342) 237-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Автореферат разослан 24 мая 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета ./ - н.Л. Шибанова

С']

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной России потребительское отношение к природе и связанная с ним деградация естественных природных комплексов способствуют усилению потребности в сохранении «дикой», относительно нетронутой природы. Это стимулирует поиск духовно развитой частью общества этико-экологического стиля жизни, в котором интуитивно обретается утраченное единство (партнёрство) человека с природой. Составной частью такого стиля жизни является рекреационная деятельность.

Согласно современным представлениям, рекреация относится к такому избирательному виду деятельности, который становится необходимым условием нормальной человеческой жизнедеятельности, средством компенсации напряжения, восстановления психофизических и интеллектуальных сил человека. При этом непрерывно возрастающий процесс вовлечения всё большего числа людей в циклы рекреационной деятельности, постошшое расширение и интенсификация использования территорий, охваченных в той или иной степени такого рода деятельностью, приводят к заметным изменениям в природных комплексах. В связи с этим актуализируется проблема оптимизации рекреационных нагрузок на природные комплексы в целях предотвращения их деградации и сохранения рекреационной ёмкости и рекреационной ценности территорий. Все это невозможно без проведения экологической оценки соответствующих территорий, т.е. определения их состояния или степени влияния на них антропогенных факторов.

Сущность данной проблемы сводится к обоснованию оптимальной экологической нагрузки на различные компоненты природных комплексов путём установления нормативов рекреационного воздействия. Это требует, прежде всего, разработки принципов и методов определения рекреационной устойчивости наиболее чувствительных к антропогенным воздействиям природных ресурсов - почвенного и растительного покрова. Важно определить действие фактора рекреации на почвенный покров, на организмы и их сообщества, их ответные реакции и устойчивость (антропотолерантность), а также амплитуду приспособляемости системы к меняющимся условиям среды. Необходимо выявить и описать основные дигрессивные стадии, отражающие различную степень рекреационной нарушенности природных комплексов (биоценозов).

Важность указанных проблем и задач отмечалась многими учеными, результаты исследований которых в той или иной степени находят применение в практике рекреационной деятельности. Работы ряда отечественных и зарубежных ученых и составили теоретическую основу исследования (Казанская, 1977; Рогова, 1977; Нефедова, 1980; Репшанс, 1987; Николаенко, 1992; Реймерс, 1994; Конашова, 2000; Мейлах, 2003; Прокошева, 2009; Оборин, Воронов, 2011). Но далеко не все аспекты отношения «рекреант - природные комплексы» рассмотрены в достаточной мере. Все еще остаются малоизученными вопросы комплексного воздействия антропогенных факторов на экологические и физико-биологические особенности почвенного и растительного покрова рекреационных зон. Именно постановкой и решением некоторых аспектов такого рода проблем определяется актуальность данного исследования.

Цель работы - провести интегральную формализованную оценку рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова рекреационных зон особо охраняемых Природных территорий (ООПТ) Удмуртской Республики (на примере природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский»).

Задачи исследования:

1. Изучить растительный и почвенный покров рекреационных зон природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».

2. Формализовать оценку рекреационной устойчивости посредством разработки математических моделей.

3. Дать формализованную оценку рекреационной устойчивости почвы и растительности природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский» с использованием разработанных математических моделей.

4. На основе формализованных оценок почвенного и растительного покрова произвести интегральную оценку рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».

5. Разработать рекомендации по оптимизации рекреационной деятельности на исследуемых территориях.

Объест и предмет исследования. Объектом диссертационного исследования является оценка способности территории выдержать рекреационные нагрузки, сохраняя при этом качество самовосстановления природных комплексов.

Предметом исследования является анализ теоретических и эмпирических подходов определения рекреационной устойчивости различных компонентов природных комплексов к рекреационным нагрузкам и их обобщение в виде математических моделей.

Научная новизна. В работе впервые разработаны методы формализации рекреационной устойчивости почвы и растительности на основе построения регрессионных моделей, которые могут позволить объективизировать проектирование рекреационных зон. Новизна методик подтверждена выдачей патентов на изобретения («Способ оценки рекреационного потенциала почвы», регистрация № 2360245 и «Способ оценки рекреационного потенциала растительности», регистрация № 2400967).

Выявлены экологически значимые показатели, отражающие реакцию почвенного покрова и растительности на испытываемые ими воздействия в ходе рекреационной деятельности и обеспечивающие механизмы адаптации. Дана оценка рекреационной устойчивости почвенного и растительного покрова, а также интегральная оценка устойчивости почвенно-растительного покрова в рекреационных зонах природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».

Теоретическая и практическая значимость. Материалы исследования расширяют и углубляют существующие представления о состоянии растительного и почвенного покрова в рекреационных зонах, о системе критериев и методов оценки их рекреационной устойчивости. Результаты исследования могут способствовать более объективной и адекватной оценке возможностей использования соответствующих территорий и оптимизации рекреационной деятельности. Полученные в результате исследований данные могут быть использованы: при организации и планировании лесопарковых территорий и территорий природных парков; для оценки рекреационной устойчивости почвы и растительности; мониторинга и прогноза возможных изменений вследствие воздействия организованной и стихийной рекреации, а также туризма.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рекреационную устойчивость растительного и почвенного покрова исследованных особо охраняемых природных территорий Удмуртии можно оценить как среднюю и высокую.

2. Рекреационная устойчивость изученных ООГГГ зависит прежде всего от физико-химических свойств почвы и параметров растительного покрова.

3. Разработанные подходы и методы могут применяться для оценки рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова ООПТ Удмуртской Республики.

Личный вклад автора. Автором разработана программа исследований и формализована методика оценки рекреационной устойчивости почвенно-растительного

покрова. Все материалы, использованные в диссертации, получены лично автором или при его участии на протяжении 6 лет исследований. Проведены полевые работы и камеральная обработка материала. Проведены анализ, систематизация, обобщение собранного материала, его изложение и оформление диссертации, сформулированы выводы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на межрегиональной научно-практической конференции "Реализация стратегии устойчивого развития города Ижевска: опыт и проблемы" (Ижевск, 2005), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения» (Ижевск, 2005), Международной научной конференции "75 лет высшему образованию в Удмуртии" (Ижевск, 2006), 7-й Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2006), Научно-технической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения и охраны окружающей среды» (Ижевск, 2007), 8-й Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2008), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Производство. Технология. Экология» (Ижевск, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в т.ч. 3 в журналах рекомендуемых ВАК, и получено 2 государственных патента на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, практических рекомендаций и списка литературы, включающего 200 источников, в том числе 35 на иностранных языках и 4 приложений. Основной текст диссертации изложен на 130 страницах, иллюстрирован 21 рисунком и 11 таблицами, приложение включает 24 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Проблемы рекреационного воздействия на экосистемы и определения рекреационной устойчивости

В главе обосновывается актуальность проблемы определения рекреационной устойчивости территорий. Рассмотрены важнейшие факторы рекреационного воздействия на экосистемы и их последствия. Показаны разные уровни нарушенное™ и соответствующие этому различные стадии дигрессии растительности и деградации природных комплексов в целом. Дан общий обзор подходов и методов изучения рекреационной устойчивости территорий.

Глава 2. Природные условия природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский»

В главе показаны особенности почвенного покрова, флоры и растительности, ландшафтов и рекреационного использования района исследований - природного парка (ПП) «Шаркан» и национального парка (НП) «Нечкинский».

Глава 3. Объекты и методы исследования

Объектами исследования являются травянистая растительность и почвенный покров, как показатели устойчивости экосистем.

Сроки проведения данных исследований - июль, август - период массового цветения большинства растений.

Исследовано 46 участков, на каждом из которых описано три учетные площадки, которые выбирались сознательно-выборочным способом в наиболее типичных местах (Воронов, 1973). Участки располагались в различных растительных сообществах на территории рекреационных зон 11П «Шаркан» и НИ «Нечкинский». На территории

ПП «Шаркан» исследованы: район Кар-горы, лагерь экологов, район дер. Большой Белнб, дер. Пужьегурт и дер. Малый Белиб. На территории НП «Нечкинский» исследован правый берег реки Кама: база отдыха «Камские дали», в частности ее горнолыжные спуски, спортлагерь ИжГТУ, район «Змеиной горы» и дачного поселка Галево.

Изучение растительного покрова проводилось в ходе полевых исследований. Тип растительного сообщества определяли по доминирующим видам растений (Домрачева, 1936; Раменский, 1961; Миркин, 1971). На исследуемых территориях закладывались постоянные пробные площадки размером 10x10 метров (Воронов, 1973). Описание растительности проводилось на учетных площадках размером 1x1 метр. На каждой пробной площадке описывалось по три учетных площадки (Розенберг, Миркин, 2008). Площадки закладывались таким образом, чтобы охватить максимальное разнообразие растительных сообществ, представленных на территории рекреационных зон ПП «Шаркан» и НП «Нечкинский» (Полевой ..., 2000). На всех учетных площадках определялся видовой состав растений и их проективное покрытие по шкале Браун-Бланке (Воронов,1972). Определение проводилось как в полевых условиях (в большинстве случаев), так и по гербарным образцам по общедоступным определителям (Алексеев, 1971; Ефимова, 1987; Ефимова и др., 1988; Маевский, 1964, 2006). Для каждого вида определялся биоморфный состав (Работнов, 1978) и принадлежность к эколого-ценотической группе (Лукичева, Сабуров, 1971). Всего проведено 138 геоботанических описаний.

На исследуемых территориях для характеристики почвенного покрова производился отбор почвенных образцов общепринятым методом конверта на каждой учетной площадке для агрохимического анализа, который включал в себя определение гидролитической и обменной кислотности, суммы поглощенных оснований, органического вещества (гумуса) и подвижного фосфора. Отбор проб почвы производили в соответствии с ГОСТом (ГОСТ 17.4.4.02-84, 1986; РД 52.04.186-89, 1990). Агрохимический анализ почвы проводили согласно отраслевым стандартам (Методы агрохимических ..., 1997). Проведен агрохимический анализ 138 почвенных образцов.

За основу исследования уплотнения почв были взяты испытания грунтов и почв конусными наконечниками (Бахтин, 1971; Ельцов, 1991, 1997). При этом использовался прочномер ЕП-12, снабженный штангами с конусным наконечником 30° диаметром 1,1см. Почвы зондировались вручную до глубины 15см на каждой учетной площадке.

Для обработки полученных данных на первом этапе исследования группе экспертов было предложено оценить вклад в сохранение рекреационной устойчивости почвы следующих показателей: коэффициент антропогенной уплотненности, модуль прочности слоя, содержание в почве органического вещества (гумуса), степень насыщенности почвы основаниями, обменная кислотность, гидролитическая кислотность, сумма поглощенных оснований и содержание подвижного фосфора в почве. Рекреационная устойчивость почвы оценивалась экспертами по пятибалльной системе. Экспертами выступали ученые в области геоботаники и почвоведения Ижевской Государственной сельскохозяйственной академии и Удмуртского Государственного университета (д. с.-х.н., проф. Кузнецов М.Ф., к.б.н., доц. Рылова Н. Г., к.б.н., ст. преп. Аксенова Н.П., к.т.н., доц. Ельцов Ю.А.).

На основании полученных данных была составлена таблица (в оболочке Exel), отражающая соответствие каждого из показателей качеству рекреационной устойчивости. Далее была построена корреляционная матрица (построение производилось по 50 точкам), в результате чего были определены коэффициенты корреляции между функцией отклика (рекреационная устойчивость почвы) и входными аргументами, а также - между самими аргументами. При этом были обнаружены сильные связи внутри анализируемои системы (в ряде случаев коэффициент корреляции г колебался от 0.837 до 0.963 по модулю). Далее была построена

регрессионная модель вида y = ba+blxl+b1x2+bJx1... + bixl. При анализе полученных результатов было выяснено, что для ряда параметров отмечается уровень значимости а > 0,05 (степень насыщенности основаниями, сумма поглощенных оснований, гидролитическая кислотность, подвижный фосфор и коэффициент антропогенной уплотненности почвы). В связи с этим была построена вторая регрессионная модель без учета выбывших параметров. Анализ эффективности модели был осуществлен сначала на обучающей выборке.

Для определения рекреационной устойчивости растительности группе экспертов было предложено оценить вклад в сохранение рекреационной устойчивости растительности следующих показателей: число видов, процент луговых и рудеральных видов в травостое, процент многолетних видов. Рекреационная устойчивость растительности оценивалась по пятибалльной системе, как и рекреационная устойчивость почвы. Далее две модели были объединены и получена интегральная модель рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова исследуемых территорий.

Для автоматизации расчетов и систематизированного хранения полученных результатов было разработано программное обеспечение в виде Веб-приложения. Програмное обеспечение представляет собой набор скриптов, написанных на языке PHP. В качестве СУБД использован MySQL. Таким образом, разработанное приложение является кросплатформенным, что, несомненно, является его большим плюсом. Ещё один плюс разработанного ПО - простой, интуитивно понятный интерфейс.

Глава 4. Оценка рекреационной устойчивости почвенного покрова

Почва является чувствительным и интегральным индикатором состояния всей окружающей среды (Обухов, 1990). Интенсивная антропогенная нагрузка на экосистемы, оказывающая сильное влияние на различные свойства почв, ведет к негативным последствиям. Наиболее характерным среди них являются: деструкция, механическая эрозия и уплотнение почвы. Плотность почвы - это важнейшее ее свойство, от которого зависит газообмен, поступление и передвижение воды, ее запасы в корнеобитаемом слое (Конашова, 2004).

Увеличение плотности приводит к переорганизации естественного сложения почвенного материала поверхностных горизонтов. Исследования показывают, что влияние рекреационных нагрузок приводит к уменьшению гумуса (органического вещества) в почве. Содержание гумуса в почве в большей степени характеризует развитие биоценоза, его влияние на почву. Содержание и состав гумуса - это фактор, отражающий обратную связь в системе «почва-растение (биоценоз)». Агрегаты гумусового горизонта отчасти деформируются, образуя плотную упаковку. Происходит резкое уменьшение общей порозности, ухудшается ее плодородие (Бганцова, 1987).

На более плотных участках почвы увеличиваются физическое испарение и глубина иссушения. При интенсивном длительном (10-15 лет) рекреационном воздействии на поверхности грунтовых дорожек образуется «почвенная корка», препятствующая диффузии почвенного воздуха и способствующая медленному передвижению капиллярной воды, почти лишенной кислорода. В почве начинаются процессы поверхностного оглеения, которые приводят к разрушению почвенной структуры (Карпачевский, 1981).

Под влиянием рекреационных нагрузок происходят существенные изменения агрохимических свойств почвы. На сильно вытоптанных местах ухудшается обеспеченность азотом, подвижными формами фосфора и калия, понижается ферментативная активность и микробиологическая деятельность (Паулкжявичус, 1989). Рекреационное воздействие приводит к уменьшению содержания органического вещества в почве, а также к понижению кислотности (Бондарь, 1984; Бганцова, 1987; Гребенюк, 1989 и др.).

Таким образом, показатели, характеризующие физический, водно-физический и химический состав почвы, служат надёжными критериями для оценки состояния и жизнеспособности биоты и стабильности экосистемы в целом. Поэтому, обязательной составной частью исследования рекреационного воздействия и ответной реакции биогеоценозов является изучение состояния почв, определение той «границы нормы», за пределами которой наступает истощение рекреационной устойчивости экосистемы.

Качество рекреационной устойчивости почвы зависит от многих факторов, суммарное действие которых многоаспектно и труднотрактуемо. В этой связи представляет интерес построение модели, отражающей влияние указанных выше воздействий в комплексе. Создание интегрального показателя, по величине которого можно было бы судить об общей рекреационной устойчивости почвы, представляется при этом важной и актуальной задачей. Построение такого показателя возможно с использованием методов математического моделирования.

При первом шаге построения регрессионной модели аргументы: обменная кислотность (ОК), сумма поглощенных оснований (Б), степень насыщенности основаниями (V), содержание обменного фосфора и показатель коэффициента антропогенной уплотненности (К), оказались незначимыми (отмечается уровень значимости а > 0,05). В связи с этим была построена вторая регрессионная модель без учета выбывших параметров, которая представляет набор аргументов, каждому из которых присваивается вес. Аргументы: XV - модуль прочности слоя (кг/кв. см), А - содержание органического вещества (гумуса) (%), рН - кислотность (единицы).

Функцией отклика является расчетный индекс рекреационной устойчивости почвы (РУП). Для удобства пользования применяется 5- балльная шкала от 1 до 5. Для каждого показателя был определен коэффициент корреляции с откликом. Методом пошаговой регрессии получено следующее уравнение:

РУП = 0,569-0,07*Ш+0,141 *А+0,42* рН, (1)

где РУП - рекреационная устойчивость почвы (единицы); XV - модуль прочности слоя (кг/кв. см); А - содержание органического вещества(гумуса) (%); рН - кислотность (единицы).

Далее по величине коэффициента РУП можно судить о рекреационной устойчивости почвы: РУП<2,5 единиц - низкая, от 2,5 < РУП < 3,5 единиц - средняя, 3,5 и выше - высокая рекреационная устойчивость почвы.

Анализ эффективности модели осуществлен сначала на обучающей выборке.

Результаты представлены на рис. 1.

а о .................................................

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 наблюдения

Рис. 1. Соотношение расчетного РУП и экспертной оценки (обучающая группа).

8

Как видно из рис. 1, экспертная оценка и расчетные параметры рекреационной устойчивости почвы практически совпадают. Коэффициент корреляции Пирсона между ними составил 0.98 (функциональная связь).

Вместе с тем, в основу расчетов было положено мнение экспертов, без привлечения опытных данных. В связи с этим эффективность предложенного метода была проверена на результатах замеров контрольных участков рекреационных зон ПП «Шаркан» и НП«Нечкинский» (Удмуртская Республика).

Почвы рекреационной зоны НП «Нечкинский» обладают следующими свойствами: содержание органического вещества (гумуса) от 0.5% до 8 %; реакция среды (рН = 3.5- 6.8); модуль прочности слоя (\¥= 1.0-9.0). Почвы зоны рекреации и туризма ПП «Шаркан» характеризуются: содержание гумуса (от 0.98% до 7 %); реакция среды (рН = 3.8 - 6.6); модуль прочности слоя (0,97 до 8 кг/кв. см).

Коэффициент корреляции Пирсона в данном случае составил 0.84. Результаты визуализированы на рис. 2. Как видно из графика, предложенная модель в целом соответствует экспертной оценке. На описанный метод оценки рекреационной устойчивости почвы получен патент на изобретение (№ 2360245 от 27 июня 2009 г.).

По результатам исследований выявлено, что наибольшей рекреационной устойчивостью почвенного покрова в зоне рекреации и туризма ПГ1 «Шаркан» обладают участки с высоким содержанием органического вещества (гумуса) (4,67%, 7,01%). Модуль прочности слоя составляет 1,72 и 1,92 кг/кв. см, что характеризует их как слабо прочные. Показатель кислотности почвы рН близкий к нейтральному (5,3-6,7).

I 1 "

I о ..............................................

8. 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46

анализируемый объект —•— моделируемые значения РУП экспертная оценка

Рис. 2. Соотношение значения рекреационной устойчивости почвы и экспертной оценки (контрольная группа) Наименьшие показатели рекреационной устойчивости почвы выявлены на участках, прилегающих к дорогам и тропам, что в первую очередь связано с высоким показателем модуля прочности слоя (6,37-7 кг/кв. см). Также отмечено низкое содержание органического вещества (гумуса) от 0,42% до 2,33%. Кислотность (рН) от 3,06 до 3,26 (т.е. почвы кислые).

На территории рекреационной зоны НП «Нечкинский» высокие показатели рекреационной устойчивости почвы отмечены на опушечных лесолуговых участках. По физико-химическим показателям почвенного покрова они характеризуются средним показателем прочности почвы 4,54-6,4 кг/кв. см, содержание гумуса среднее от 2,5% до 3,64%, рН= 3,8-5,76 (почва среднекислая). Низкая рекреационная устойчивость почвенного покрова характерна для участков, прилегающих к тропам, что связано с

интенсивным вытаптыванием. Модуль прочности доходит до 9 кг/кв. см, содержание органического вещества от 0,55% до 1,5%, кислотность рН=3-4,2.

На территории IIII «Шаркан» наибольшей рекреационной устойчивостью почвы обладают: контроль у лагеря экологов (луг овсяшщево-земляниково-разнотравный (3,16)); холм у дер. Пужьегурт (луг зверобойно-одуванчиково - разнотравный (3,14)); холм у лагеря экологов (луг лапчатково-черноголовково-разнотравный (3,27)). На территории НП «Нечкинский»: Спортлагерь ИжГТУ (лесной участок) (ельник разнотравный (6,70)); Галевский склон к р. Кама (лес) (ельник копытневый (4,94)); Змеиная гора, вершина №1 (луг васильково-вейниково-разнотравный (5,17)).

Глава 5. Параметры рекреационной устойчивости растительного покрова и его оценка на территории ПП «Шаркан» и НП «Нечкинский»

Интенсификация рекреационного использования территорий значительно влияет на состав и структуру популяций трав. Любое нарушение пространственно -временной организации популяций нарушает функциональное совершенство ценоза. Поэтому, целесообразно проиллюстрировать динамику популяций трав в зависимости от интенсивности рекреационной нагрузки, рассматривая структуру и флористический состав ненарушенных фитоценозов. Виды растений, образующих живой напочвенный покров, являются наиболее уязвимыми компонентами фитоценоза и под влиянием рекреационного пользования меняются в первую очередь (Рысин, Полякова, 1987).

Исследование динамики растительности различных фитоценозов, анализ состава и количественное соотношение видов является основным способом биологического контроля за степенью регрессии растительного покрова. Флористический состав и количественное соотношение видов антропогенных фитоценозов позволяют, прежде всего, установить их сходство и различие по видовому богатству и количественным соотношениям в зависимости от интенсивности рекреации.

В этом плане наибольшего внимания заслуживает методика распределения видов травянистых растений по экологическим группам (лесные, луговые и рудеральные), предложенная С.И. Конашовой (2004). Она позволяет проследить характер смен травяного покрова в зависимости от степени нарушенности, и выявить динамику сменяемости в зависимости от принадлежности к лесотипологической группе. Полученные С.И. Конашовой данные распределения видов по экологическим группам показали, что при слабой степени рекреационной нарушенности участка число лесных видов составляет 93,3% и луговых 6,7%, на участках средней нарушенности преобладают рудеральные и луговые виды, в то время как лесные составляют всего 14,9%. В сильно нарушенных фитоценозах лесные виды отсутствуют, а рудеральные составляют практически 50%. С ухудшением условий среды растения больше тратят энергии на адаптацию (Connel, Orias, 1964), поэтому в сильно нарушенных фитоценозах поселяются виды, более приспособленные к экстремальным условиям.

Шкала антропотолерантности травянистых растений на основе их реакции на уплотнение верхних горизонтов почвы, механических повреждений наземных побегов и их обрывание в свое время была разработана Л. П. Рысиным (1993).

Удельное значение разных эколого-ценотических и биоморфных групп растений в травяном покрове хорошо коррелирует с интенсивностью рекреационного воздействия на экосистемы. Наименее чувствительными являются луговые и рудеральные виды, т. к. они имеют различные приспособления, позволяющие им избегать уничтожения человеком и животными. Также более стойкими к рекреационному воздействию являются многолетние виды, по

сравнению с малолетними. Это связано с тем, что уплотненная почва препятствует прорастанию семян малолетних растений.

Таким образом, рекреационная устойчивость растительного покрова исследуемых территорий, как и устойчивость почвы, зависит от многих факторов, суммарное действие которых многоаспектно и слабо поддается декомпозиции. Следовательно, без построения модели, отражающей влияние указанных выше воздействий в комплексе, без создания интегрального показателя, по величине которого можно было бы судить об общей рекреационной устойчивости растительности, решить эту проблему не представляется возможным.

В нашем исследовании предпринята попытка создания математической модели для расчета рекреационной устойчивости растительных сообществ рекреационных зон ПП «Шаркан» и НП «Нечкинский» и проверена ее действенность.

На первом этапе исследования группе экспертов было предложено оценить вклад в сохранение рекреационной устойчивости растительности следующих показателей (входных аргументов): число видов, процент многолетних видов, процент луговых и рудеральных видов. Рекреационная устойчивость растительности (РУР) оценивалась по пятибалльной шкале от 1 до 5. РУР<2,5 единиц - низкая, от 2,5 < РУР < 3,5 единиц -средняя, от 3,5 и выше - высокая рекреационная устойчивость растительности.

Модель представляла набор аргументов, каждому из которых присваивался вес. Аргументы: Ч - число видов (шт.), Л - процент луговых и рудеральных видов (%), М -процент многолетних видов (%).

Функцией отклика является расчетный индекс рекреационной устойчивости растительности. Для каждого показателя был определен коэффициент корреляции с откликом.

Методом пошаговой регрессии получено следующее уравнение, удовлетворяющее требованиям исследования:

РУР = 0,9+0,07*4+0,005*Л+0,03 * М, (2)

где РУР - оценочный коэффициент (единицы);

Ч - число видов (шт.);

Л - процент луговых и рудеральных видов (%);

М - процент многолетних видов (%).

Анализ эффективности модели был осуществлен сначала на обучающей выборке (рис. 3).

1 3 5 7 9 11 13 15 17 1921 2325272931 333537 Наблюдения

—♦— Экспертная оценка Моделируемое значение РУР

Рис. 3. Соотношение расчетного значения рекреационной устойчивости растительности и экспертной оценки (обучающая группа) Однако, исследование носило характер так называемого «мысленного эксперимента», без привлечения данных опытной группы. В основу расчетов положено

личное мнение экспертов. Кроме того, верификация результатов на группе обучения не является корректным приемом проверки информативности модели, поэтому эффективность предложенного метода оценки рекреационной устойчивости растительного покрова была проверена на результатах замеров контрольных участков зон рекреации и туризма ПП «Шаркан» и НП «Нечкинский».

Коэффициент корреляции Пирсона г = 0.82 (функциональная связь). Результаты визуализированы на рис. 4. Как видно из графика, предложенная модель в целом соответствует экспертной оценке.

Рис.4. Соотношение значения рекреационной устойчивости растительности и экспертной оценки (проверочная группа)

На территории рекреационной зоны НП «Нечкинский» высокие показатели рекреационной устойчивости растительности отмечены в лесной части спортлагеря ИжГТУ (ельник-разнотравный). Это связано с опушечным эффектом, так как отмечено большое видовое разнообразие растительности, среди которых 100 % многолетники и 80 % из них являются луговыми и рудеральными видами. Подобные закономерности проявляются и на других экотонных участках: Галевский спуск к р. Кама (ельник копытневый) и лесная часть Змеиной горы (ельник-земляничник).

Низкая рекреационная устойчивость растительного покрова характерна для участков, прилегающих к дорогам и на тропах, что связано с интенсивным рекреационным использованием данных участков. Видовое разнообразие низкое (4-6 видов), велика доля луговых и рудеральных (68-100%).

Созданная модель оценки рекреационной устойчивости растительности показала высокую информативность на контрольной группе наблюдений, коэффициент корреляции Пирсона г = 0,82 при сравнении расчетных показателей и экспертной оценки. На территории ПП «Шаркан» наибольшим показателем РУР обладают: лагерь экологов 2 года (луг манжетково-земляниково-разнотравный (4,35)); подножие склона у дер. Пу-жьегурт (луг злаково-разнотравный (4,4)); холм у дер. Б. Белиб (луг нивянниково -разнотравный (4,41)). На территории НП «Нечкинский»: Камские дали (вершина холма) (луг снытево-клеверный (4,32)); Галевский склон (луг подмаренниково-щавелево-разнотравный (4,15)); Змеиная гора (ельник-земляничник (4,19)).

На описанный метод оценки рекреационной устойчивости растительности получен патент на изобретение (№ 2400967 от 10 октября 2010 г.).

Глава 6. Интегральная оценка рекреационной устойчивости почвенно-расгителыюго покрова природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский»

Территории, используемые в рекреационных целях, определяются как экосистемы антропогенных модификаций, в различной степени реагирующие на прямые и косвенные антропогенные воздействия. Действие рекреации может быть импульсным

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526272829303132333435 анализируемый объе!сг —экспертная оценка - « - моделируемое значение РУР

или хроническим. Экосистемы после импульсного воздействия способны в процессе саморегуляции возвращаться к исходному состоянию. В случае перманентных (хронических) влияний под воздействием человека нарушаются связи между компонентами биогеоценозов, которые теряют устойчивость. Экосистема постепенно перестраивается в новое состояние, следствием которого может быть замена одного (коренного) биогеоценоза на другой - производный, вторичный. Другими словами, чрезмерная рекреационная нагрузка приводит к дигрессивным изменениям в экосистеме.

В науке устоялась классификация степени рекреационной дигрессии, согласно которой выделяют 5 ее стадий. Принято считать, что потеря способности к восстановлению происходит между третьей и четвертой стадией рекреационной дигрессии. Это - граница устойчивости экосистемы, имеющая большое практическое значение для определения допустимых рекреационных нагрузок.

Поэтапное рассмотрение процесса рекреационной дигрессии дает возможность выявить закономерности изменения экосистемы под воздействием рекреационных нагрузок, определить устойчивость различных ее компонентов к такого рода нагрузкам, а также установить границы устойчивости коренного биогеоценоза, а, следовательно, и допустимые для него и для его производных рекреационные нагрузки.

Большинство ученых (Миркин и др., 1989) под устойчивостью фитоценоза понимают его способность противостоять внешним изменениям среды в целях сохранности числа видов, их количественных соотношений в данном растительном сообществе и взаимосвязей в течение некоторого интервала времени. Ряд ученых предлагают в качестве меры устойчивости использовать величину экологической емкости - то есть способности экосистемы выдержать определенную величину воздействия (Репшанс, 1987).

При исследовании закономерностей изменения экосистем и ее производных, используемых в рекреационных целях (ПП «Шаркан», НП «Нечкинский»), внимание было уделено, в первую очередь, на почвенно-растительный покров. Между рекреационной устойчивостью и состоянием растительности и почвенного покрова существует тесная корреляция (Миркин, 1981; Карпачевский, 1981; Рысин, 1993; Конашова, 2004 и др.).

Отрицательную связь с рекреационной устойчивостью имеет прочность почвы. Вследствие уплотнения нарушается структура почвы, уменьшается водопроницаемость и аэрированность, снижается биологическая активность и затрудняется рост корней. Изменение водного и температурного режимов приводит к ухудшению условий минерального питания (Бганцова, 1987). Уменьшается гумус (органическое вещество) в почве, ее кислотность (рН) (Бондарь, 1983). Увеличение рекреационной нагрузки и уплотнение почвы способствуют резкому усилению этих процессов. Сравнивая содержание гумуса по стадиям дигрессии в ненарушенных и сильно нарушенных рекреацией, уплотненных почвах отмечаются весьма существенные различия: от 5,02% до 3,40% на неуплотненных участках и от 4,66% до 3,10% на уплотненных участках (Конашова, 2004). Данные по изменению кислотности почвы (Бганцова, 1987; Серебро, 1999 и др.) свидетельствуют о достаточно ясно выраженных тенденциях «подкисления» почвы с возрастанием рекреационных нагрузок.

Флористический состав и количественное соотношение видов имеют положительную корреляцию с рекреационной устойчивостью (Миркин,1981). Удельное значение разных эколого-ценотических и биоморфных групп растений в травяном покрове хорошо коррелирует с интенсивностью рекреационного воздействия на экосистемы. Наименее чувствительными являются луговые и рудеральные виды, а также многолетние виды, по сравнению с малолетними. Это

связано с тем, что уплотненная почва препятствует прорастанию семян малолетних растений.

При изучении распределения травяной растительности по экологическим группам (лесные, луговые и рудеральные) удалось проследить характер смен травяного покрова в зависимости от степени нарушенное™.

Выявлено, что при слабой степени рекреационной нарушенное™ участка, доминируют лесные виды, на участках средней нарушенное™ преобладают рудеральные и луговые виды. В сильно нарушенных фитоценозах лесные виды отсутствуют, а рудеральные составляют большинство.

Для выявления величины связи между свойствами почвы, состоянием растательности и рекреационной устойчивостью почвенно-растительного покрова территорий был проведен корреляционный, дисперсионный и регрессионный анализ. При вычислении коэффициента корреляции Пирсона были получены результаты, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициента корреляции Пирсона между моделируемой рекреационной устойчивостью почвенно-растительного покрова и исследуемыми параметрами

УПР

-0,423

0,605

0,601

Л м

0,52 I 0,853

0,31 _

Как следует из таблицы 1, все выбранные показатели имеют достоверную корреляцию средней степени тесноты с рекреационной устойчивостью почвенно-

растательного покрова.

Для построения математаческой модели зависимое™ между показателями, в дальнейшем был проведен пошаговый регрессионный анализ. В результате было получено уравнение:

УПР = 1-0,01*\\г+0,03*А+0,08*рН+0,04*4-0,005*Л+0,02*М, (3) где УПР - рекреационная устойчивость почвенно-растительного покрова (ед.);

- модуль прочности слоя (кг/кв. см); А - содержание органического вещества (гумуса) (%); рН - кислотаость (единицы); Ч - число видов растений (шт.); Л - процент луговых и рудеральных видов (%); М - процент многолетних видов (%).

По величине УПР судят о рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова: УПР < 2,5 единиц - низкая устойчивость, от 2,5 < УПР < 3,5 единиц -средняя, 3,5 и выше - высокая рекреационная устойчивость почвенно-растительного

покрова. -я

Анализ эффективное™ модели был осуществлен сначала на обучающей выборке.

Результаты представлены на рис. 5.

Почвы рекреационной зоны НИ «Нечкинский» обладают следующими физико-химическими показателями: содержание органического вещества (гумуса) колеблется от 0 5% до 8 %, что характеризуется как очень низкое и высокое соответственно; реакция среды (рН = 3.5- 6.8), т.е. изменяется от сильнокислой до слабокислой; по прочное™ почвы очень слабо (\У< 1.0) и слабо прочные (\¥= 1.0-2.0), на дорогах и тропах данный показатель доходит до 9 (прочные). Почвы зоны рекреации и туризма ПП «Шаркан» содержат от 0.98% до 7 % органического вещества (гумуса), реакция среды (рН = 3.8 - 6.6), прочность почвы от 0,97 до 8 кг/кв. см.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 222324 2526 272829 3031 32 3334 3536 37 38 —•— экспертная оценка ■-Й8--- расчетные данные УПР

Рис.5. Соотношение расчетного значения УПР и экспертной оценки (обучающая группа).

Флористическое богатство зоны туризма и рекреации ПП «Шаркан» насчитывает 420 видов растений, которые представлены 247 родами и 80 семействами. В среднем доля лесных видов составляет 37.1 %, доля луговых 57.4 %, а доля рудеральних 14.5 %. Экобиоморфный состав следующий: многолетники 77.6%, малолетники 22.4 %. Флора НП «Нечкинский» представлена 712 видами растений из 340 родов и 94 семейств. Доля лесных видов в рекреационной зоне парка составляет 37.8 %, а луговых и рудеральных 62.2 %. Экобиоморфный состав: многолетники 82.8 %, малолетники 17.2 %.

Характеристика группы контроля представлена в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики группы контроля при проверке эффективности предложенной

рН А Ч Л М

ед. % кг/кв. см шт. % %

5,29±0,14 1,71±1,14 4,76±0,23 11,69±0,58 63,1±3,64 87,33±2,67

Коэффициент корреляции Пирсона г = 0.85 (сильная корреляция). Результаты показаны на рис. 6. Как видно из графика, предложенная модель в целом соответствует экспертной оценке.

Нашими исследованиями выявлено, что наибольшей рекреационной устойчивостью почвенно-растительного покрова в зоне рекреации и туризма ПП «Шаркан» обладают участки с типом растительного сообщества «луг разнотравный», что связано с преобладанием в растительном покрове луговых и рудеральных видов (от 69 % до 80.9 %), многие из которых являются многолетниками (96% -100%). Также на данных территориях отмечено большое число видов (от 12 до 18). Свой вклад в устойчивость вносят и физико-химические показатели почвы. На данных участках низкий показатель прочности почвы, который находится в пределах 1,79-4.24 кг/кв. см, и среднее содержание органического вещества (гумуса) (1.67% -3.8%).

« - моделируемое значение УПР -»-- экспертная опенка

Рис.6. Соотношение значения рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова и экспертной оценки (проверочная группа) Наименьшие показатели рекреационной устойчивости выявлены на участках, прилегающих к дорогам и в лесных сообществах, что связано с низким видовым разнообразием (3-4 вида), либо его отсутствием на дорогах, и низким процентом луговых и рудеральных видов растений в травостое лесных растительных сообществ (от 27,7% до 55%).

На территории рекреационной зоны НП «Нечкинский» высокие показатели рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова отмечены в лесной части спортлагеря ИжГТУ (ельник-разнотравный). Это связано с экотонным эффектом, так как отмечено большое видовое разнообразие растительности, среди которых 100% многолетники и 80 % из них являются луговыми и рудеральными видами. По физико-химическим показателям почвенного покрова участок характеризуется средней рекреационной устойчивостью, так как показатель прочности почвы низкий (6,4 кг/кв. см), содержание гумуса среднее (3,64%), кислотность почвы рН= 3,8. Подобные закономерности проявляются и на других опушечных участках: Галевский спуск к р. Кама (ельник - копытневый) и лесная часть Змеиной горы (ельник-земляничник).

Низкая рекреационная устойчивость характерна для участков, прилегающих к тропам и на лесных участках, что связано с интенсивным вытаптыванием.

По итогам нескольких лет наблюдений и исследований за рекреационным использованием территорий можно сделать следующий вывод: созданная модель оценки рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова рекреационных территории показала высокую информативность на контрольной группе наблюдений, коэффициент корреляции г = 0,85 при сравнении расчетных показателей и экспертной оценки.

Выводы

1. Установлена достоверная зависимость устойчивости природных комплексов к рекреационным воздействиям от физико-химических свойств почвы и параметров растительного покрова. Надежными критериями для оценки состояния и жизнеспособности биоты и стабильности экосистемы в целом служат показатели, характеризующие физический, водно-физический и химический состав почвы. Наиболее уязвимыми компонентами фитоценоза являются виды растений, образующих живой напочвенный покров. Поэтому анализ состава и количественное соотношение видов является основным способом биологического контроля за степенью дигрессии растительного покрова.

2. Рекреационная устойчивость почвенно-растительного покрова зависит от многих факторов, суммарное действие которых многоаспектно и слабо поддается декомпозиции. Создана методика, позволяющая оценить рекреационную устойчивость почвенно-растительного покрова на основе интегрального подхода с использованием метода пошаговой регрессии и корреляционного анализа (метод оценки рекреационной устойчивости почвы: патент на изобретение № 2360245 от 27 июня 2009 г. и метод оценки рекреационной устойчивости растительности: патент на изобретение № 2400967 от 10 октября 2010 г.). Экологическое моделирование рекреационной устойчивости может позволить прогнозировать возможные изменения при проектировании, создании и эксплуатации рекреационных территорий.

3. Рекреационная толерантность травяного покрова повышается по мере увеличения рекреационных нагрузок за счет появления в травостое луговых и рудеральных видов трав, наиболее устойчивых и адаптированных к воздействию рекреантов, а также не имеющих пищевой и декоративной ценности. Рекреационная устойчивость почвы повышается при уменьшении модуля прочности слоя почвы и при повышении содержания органического вещества (гумуса). Кислотность почвы оказывает незначительное влияние на рекреационную устойчивость, но с увеличением нагрузки понижается.

4. Результаты оценки рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова ПП «Шаркан» и НП «Нечкинский» позволяют отнести данные территории к территориям обладающим средней и высокой рекреационной устойчивостью. Наибольшим показателем рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова обладают опушечные, лесолуговые и луговые территории (рекреационная устойчивость = 4,58; 4,26; 4,16). Наименьшие показатели отмечены на лесных участках (рекреационная устойчивость = 2,42; 2,54; 2,63).

5. При проектирован™ зон рекреации и туризма парков, территории для активного отдыха необходимо планировать по возможности на опушечных лесолуговых и луговых участках, растительность которых способна выдержать значительно большие рекреационные нагрузки, чем лесные участки.

Практические рекомендации

На основании проведенных исследований и полученных результатов предлагаем рекомендовать специалистам по проведению оценки воздействия на окружающую среду включить в эту процедуру расчеты устойчивости почвенно-растительного покрова. Необходимо отметить, что оценка рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова с использованием методов экологического моделирования должна стать неотъемлемой частью мониторинговых исследований особо охраняемых природных территорий. Экологическое моделирование является эффективным способом подобного рода исследований. В связи с этим в работе были разработаны регрессионные модели, отражающие 1) рекреационную устойчивость растительности ООПТ, 2) рекреационную устойчивость почвы ООПТ 3) интегральную оценку устойчивости почвенно-растительного покрова рекреационных зон.

Полученные в ходе исследования материалы убедительно показывают, что устойчивость природных комплексов к рекреационным воздействиям зависит от состояния почвенно-растительного покрова, анализ состояния которого может значительно повлиять на дальнейшие природоохранные мероприятия.

Апробация разработанных в диссертации методик определения рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова показывает, что на территории ООПТ Удмуртской Республики могут быть использованы подходы, основанные на

определении рекреационной устойчивости почвы (патент на изобретение № 2360245 от 27 июня 2009 г.) и рекреационной устойчивости растительности (патент на изобретение № 2400967 от 10 октября 2010 г.) и на основе общих показателей состояния почвенно-растительного покрова. При этом приоритетным, на наш взгляд, является комплексный подход, базирующийся на анализе почвенно-растительных показателей на пробных площадках и предложенного комбинированного 5-балльного показателя рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова.

Рассмотренные и апробированные в работе методы могут быть использованы при проведении работ на территории рекреационных зон и особо охраняемых природных территорий Удмуртской Республики. Применение методов экологического моделирования в исследовании рекреационных территорий совместно с точными инструментальными методами может способствовать принятию более объективных, адекватных, научно обоснованных инженерно-экологических и управленческих решений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Борисова Е.А. Рекреационная дигрессия почвы и растительности парка им С.М.КИРОВА // Всероссийская научно-практическая конференция. Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: Матер. Всерос. научно-пракг. конф. 4.2. Ижевск, 2005.- С. 120-123.

2. Борисова Е.А. Некоторые аспекты рекреационной дигрессии почвы и растительности парка им. С.М. Кирова // Сборник тезисов докладов межрегиональной научно-практической конференции "Реализация стратегии устойчивого развития города Ижевска: опыт и проблемы", Ижевск, 2005. - С. 140-142.

3. Борисова Е.А. Коэффициент антропогенной уплотненности как показатель рекреационного потенциала // Экологические проблемы промышленных регионов: Материалы 7-ой Всероссийской научно-практической конференции. Екатеринбург,

2006. - С. 277-278.

4. Борисова Е.А. Кургузкин М.Г. Рекреационное воздействие на экосистемы // Научные труды национального парка "Нечкинский" = Education: english-russian/russian-englishtopicalvocabulary: к 10-летию со дня организации Национального парка. Ижевск, 2006. - Вып.1. - С. 62-66.

5. Борисова Е.А. Нормативно-правовая база в области определения рекреационных нагрузок особо охраняемых природных территорий П Современные проблемы экологического права, политики и образования: материалы международной научно-практической конференции, Ижевск, 2006. - Рус., англ. яз. - С. 210-215.

6. Борисова Е.А. Атграктивность ландшафтов при проектировании рекреационных зон // Международная научная конференция "75 лет высшему образованию в Удмуртии": материалы конференции. / ГОУВПО "Удмуртский государственный университет", Естеств.-гуманит. науч.-образоват. комплекс (ЕГНОК). Ижевск, 2006. - Ч. 2. Естественные науки. - С. 125-127.

7. Борисова Е.А., Пономарев С.Б. Экологическое моделирование в определении рекреационного потенциала почвы // Проблемы энерго- и ресурсосбережения и охраны окружающей среды: научно-техническая конфереция: Материалы. Ижевск,

2007.-С. 215-219.

8. Борисова Е.А. Рекреационная деятельность и природные комплексы // Социально-экономическое управление: теория и практика: Научно-практический журнал. Ижевск, 2007. - С. 121- 126.

9. Борисова Е.А. Метод определения потенциала почвы // Экологические проблемы промышленных регионов: Материалы 8-ой Всероссийской научно-практической конференции. Екатеринбург, 2008. - С. 50-52.

10. Борисова Е.А. Способ оценки экологически безопасного использования ООПТ (на примере растений) // Безопасность в техносфере: сборник статей Ижевск: Изд-во УдГУ, 2009. - Вып. 5. - С. 158-161.

П.Борисова Е.А., Пономарев С.Б. Разработка интегрального критерия оценки рекреационного потенциала растительных сообществ при проектировании рекреационных зон // Интеллектуальные системы в производстве. Ижевск, 2009. -№2.-С. 109-113.

12. Борисова Е.А., Пономарев С.Б. Способ оценки рекреационного потенциала почвы // Изобретения, полезные модели. - 2009. - № 18.

13. Борисова Е.А., Пономарев С.Б., Кургузкин М.Г. Способ оценки рекреационного потенциала растительности // Изобретения, полезные модели. - 2010. - № 28.

14. Борисова Е.А. Подходы и методы изучения рекреационного потенциала территорий // Безопасность в техносфере : сборник. - Ижевск: Удмурт, ун-т, 2010. - Вып. 6. -С. 100-109.

15. Борисова Е.А. Метод определения рекреационного потенциала растительных сообществ // Производство. Технология. Экология: международная конференция с элементами научной школы для молодежи: материалы конференции и школы. -Ижевск, 2010. - С. 99-104.

16. Борисова Е.А., Романова А. Влияние рекреационных нагрузок на физические свойства почв // Первая региональная экологическая конференция на базе НОУ ВПО «КИГИТ», тезисы докладов на студенческой научной конференции, № 3, 2011.-С. 112-116.

Статьи в изданиях, включенных в «Перечень научных изданий и журналов, рекомендуемых ВАК РФ»

17. Борисова Е.А. Экологическое моделирование в определении рекреационного потенциала растительных сообществ// Журнал «Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Вавилова» - 2010. - № 11. - С. 13-17.

18. Борисова Е.А. Оценка природно-рекреационного потенциала территорий (на примере природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский») // Журнал «Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Вавилова» - 2012. - № 2. -С. 16-19.

19. Борисова Е.А., Кургузкин М.Г. Экологическое моделирование в определении рекреационного потенциала почвенного покрова // Журнал «Экология урбанизированных территорий» -2011. - № 4. - С. 73-76.

Изобретения

Способ оценки рекреационного потенциала почвы. Патент на изобретение 1Ш(11)

2360245 (13) С2 № 2360245 от 27 июня 2009 г. / Борисова Е.А., Пономарев С.Б.;

ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» - заявитель и патентообладатель.

Способ оценки рекреационного потенциала растительности. Патент на изобретение

1Ш(11) 2400967 (13) С1 № 2400967 от 10 октября 2010 г. / Борисова Е.А., Пономарев С.Б.,

Кургузкин М.Г.; ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» - заявитель и

патентообладатель.

Подписано в печать 21.05.13. Формат 60x84 Ч\6. Тираж 110 экз. Заказ № 984.

Типография ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный ушшерситет» 426034, Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 2. Тел. 68-57-18

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Борисова, Елена Анатольевна, Ижевск

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Удмуртский Государственный Университет

На правах рукописи

0420136032^

Борисова Елена Анатольевна

ОЦЕНКА РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ

ТЕРРИТОРИЙ УДМУРТИИ

Специальность 03.02.08. - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель

к.т.н., доцент Кургузкин М.Г".

Научный консультант д.м.н., профессор Пономарев С.Б.

Ижевск 2013

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Удмуртский Государственный Университет

На правах рукописи

Борисова Елена Анатольевна

ОЦЕНКА РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ

ТЕРРИТОРИЙ УДМУРТИИ

Специальность 03.02.08. - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель

к.т.н., доцент Кургузкин М.Г.

Научный консультант д.м.н., профессор Пономарев С.Б.

Ижевск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................5

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ РЕКРЕАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЭКОСИСТЕМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ.............................10

1.1. Рекреационное воздействие на экосистемы и его последствия......................10

1.2. Устойчивость экосистем к рекреационной нагрузке...................................19

1.3. Методика определения устойчивости природных комплексов и составляющих их элементов к рекреационным нагрузкам..............................................22

1.4. Рекреационное воздействие на почвенный покров.....................................31

1.5. Рекреационное воздействие на растительный покров..................................35

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ НАЦИОНАЛЬНОГО ПАРКА «НЕЧКИНСКИЙ» И ПРИРОДНОГО ПАРКА «ШАРКАН»...............................41

2.1. Национальный парк «Нечкинский»........................................................41

2.1.1 .Рельеф и климат...............................................................................42

2.1.2. Почвенный покров...........................................................................44

2.1.3. Флора и растительность.....................................................................45

2.1.4. Ландшафты и экосистемы..................................................................49

2.1.5. Рекреационное использование территории.............................................50

2.2. Природный парк «Шаркан».................................................................51

2.2.1. Рельеф и климат...............................................................................52

2.2.2. Почвенный покров............................................................................54

2.2.3. Флора и растительность....................................................................56

2.2.4. Ландшафты и экосистемы..................................................................57

2.2.5. Рекреационное использование территории.............................................58

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................59

3.1. Выбор района исследований.................................................................59

3.2. Описание растительности....................................................................63

3.3.Агрохимический анализ почвенных образцов............................................63

3.4.0пределение плотности почвы..............................................................66

3.5. Методы обработки данных...................................................................69

3.6. Программа для расчета рекреационной устойчивости почвенно-растительного

покрова.................................................................................................72

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

4.1 .Параметры рекреационной устойчивости почвы.........................................74

4.2.0ценка рекреационной устойчивости почвы природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский»...............................................................80

ГЛАВА5. ПАРАМЕТРЫ РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА И ЕГО ОЦЕНКА НА ТЕРРИТОРИИ ПРИРОДНОГО ПАРКА «ШАРКАН» И НАЦИОНАЛЬНОГО ПАРКА «НЕЧКИНСКИЙ»..............89

ГЛАВА 6. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ПРИРОДНОГО ПАРКА «ШАРКАН». И НАЦИОНАЛЬНОГО ПАРКА «НЕЧКИНСКИЙ».........................................98

ВЫВОДЫ...........................................................................................109

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.......................................................110

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ГЕОБОТАНИЧЕСКИЕ ОПИСАНИЯ УЧЕТНЫХ ПЛОЩАДОК..

.........................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ГЛОССАРИЙ...............................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ЭКСПЕРТНАЯ ОЦЕНКА...............................................149

Список сокращений и аббревиатур

ПП - природный парк НП - национальный парк

ООПТ - особо охраняемые природные территории УР - Удмуртская Республика РУ - рекреационная устойчивость

РУП - рекреационная устойчивость почвенного покрова

РУР - рекреационная устойчивость растительности

УПР - рекреационная устойчивость почвенно-растительного покрова

ЛУ - луговые виды растений

РУ - рудеральные виды растений

ЛЕ - лесные виды растений

МН - многолетние виды растений

МА - малолетние виды растений

К - коэффициент антропогенной уплотненности

W - модуль прочности слоя

ВВЕДЕНИЕ

В современной России потребительское отношение к природе и связанная с ним деградация естественных природных комплексов способствуют усилению потребности в сохранении «дикой», относительно нетронутой природы. Это стимулирует поиск духовно развитой частью общества этико-экологического стиля жизни, в котором интуитивно обретается утраченное единство (партнёрство) человека с природой. Составной частью такого стиля жизни является рекреационная деятельность.

Согласно современным представлениям, рекреация относится к такому избирательному виду деятельности, который становится необходимым условием нормальной человеческой жизнедеятельности, средством компенсации напряжения, восстановления психофизических и интеллектуальных сил человека. При этом непрерывно возрастающий процесс вовлечения всё большего числа людей в циклы рекреационной деятельности, постоянное расширение и интенсификация использования территорий, охваченных в той или иной степени такого рода деятельностью, приводят к заметным изменениям в природных комплексах. В связи с этим актуализируется проблема оптимизации рекреационных нагрузок на природные комплексы в целях предотвращения их деградации и сохранения рекреационной емкости и рекреационной ценности территорий. Все это невозможно без проведения экологической оценки соответствующих территорий, т.е. определения их состояния или степени влияния на них антропогенных факторов.

Сущность данной проблемы сводится к обоснованию оптимальной экологической нагрузки на различные компоненты природных комплексов путём установления нормативов рекреационного воздействия. Это требует, прежде всего, разработки принципов и методов определения рекреационной устойчивости наиболее чувствительных к антропогенным воздействиям природных ресурсов - почвенного и растительного покрова. Важно определить действие фактора рекреации на почвенный покров, на организмы и их сообщества, их ответные реакции и устойчивость (антропо-толерантность), а также амплитуду приспособляемости системы к меняющимся условиям среды. Необходимо выявить и описать основные дигрессивные стадии, отра-

жающие различную степень рекреационной нарушенное™ природных комплексов (биоценозов).

Важность указанных проблем и задач отмечалась многими учеными, результаты исследований которых в той или иной степени находят применение в практике рекреационной деятельности. Работы ряда отечественных и зарубежных ученых и составили теоретическую основу исследования (Рогова, 1977; Казанская, 1977; Нефедова, 1980; Репшанс, 1987; Николаенко, 1992; Реймерс, 1994; Конашова, 2000; Мейлах, 2003; Прокошева, 2009; Оборин, Воронов, 2011). Но далеко не все аспекты отношения «рекреант - природные комплексы» рассмотрены в достаточной мере. Все еще остаются малоизученными вопросы комплексного воздействия антропогенных факторов на экологические и физико-биологические особенности почвенного и растительного покрова рекреационных зон. Именно постановкой и решением некоторых аспектов такого рода проблем определяется актуальность данного исследования.

Цель работы - провести интегральную формализованную оценку рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова рекреационных зон особо охраняемых природных территорий (ООПТ) Удмуртской Республики (на примере природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский»).

Задачи исследования:

1. Изучить растительный и почвенный покров рекреационных зон природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».

2. Формализовать оценку рекреационной устойчивости посредством разработки математических моделей.

3. Дать формализованную оценку рекреационной устойчивости почвы и растительности природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский» с использованием разработанных математических моделей.

4. На основе формализованных оценок почвенного и растительного покрова произвести интегральную оценку рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».

5. Разработать рекомендации по оптимизации рекреационной деятельности на исследуемых территориях.

Объект и предмет исследования. Объектом диссертационного исследования является оценка способности территории выдержать рекреационные нагрузки, сохраняя при этом качество самовосстановления природных комплексов.

Предметом исследования является анализ теоретических и эмпирических подходов определения рекреационной устойчивости различных компонентов природных комплексов к рекреационным нагрузкам и их обобщение в виде математических моделей.

Научная новизна. В работе впервые разработаны методы формализации рекреационной устойчивости почвы и растительности на основе построения регрессионных моделей, которые могут позволить объективизировать проектирование рекреационных зон. Новизна методик подтверждена выдачей патентов на изобретения («Способ оценки рекреационного потенциала почвы», регистрация № 2360245 и «Способ оценки рекреационного потенциала растительности», регистрация № 2400967).

Выявлены экологически значимые показатели, отражающие реакцию почвенного покрова и растительности на испытываемые ими воздействия в ходе рекреационной деятельности и обеспечивающие механизмы адаптации. Дана оценка рекреационной устойчивости почвенного и растительного покрова, а также интегральная оценка устойчивости почвенно-растительного покрова в рекреационных зонах природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».

Теоретическая и практическая значимость. Материалы исследования расширяют и углубляют существующие представления о состоянии растительного и почвенного покрова в рекреационных зонах, о системе критериев и методов оценки их рекреационной устойчивости. Результаты исследования могут способствовать более объективной и адекватной оценке возможностей использования соответствующих территорий и оптимизации рекреационной деятельности. Полученные в результате исследований данные могут быть использованы: при организации и планировании лесопарковых территорий и территорий природных парков; для оценки рекреационной устойчивости почвы и растительности; мониторинга и прогноза

возможных изменений вследствие воздействия организованной и стихийной рекреации, а также туризма.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рекреационную устойчивость растительного и почвенного покрова исследованных особо охраняемых природных территорий Удмуртии можно оценить как среднюю и высокую.

2. Рекреационная устойчивость изученных ООПТ зависит прежде всего от физико-химических свойств почвы и параметров растительного покрова.

3. Разработанные подходы и методы могут применяться для оценки рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова ООПТ Удмуртской Республики.

Личный вклад автора. Автором разработана программа исследований и формализована методика оценки рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова. Все материалы, использованные в диссертации, получены лично автором или при его участии на протяжении 6 лет исследований. Проведены полевые работы и камеральная обработка материала. Проведены анализ, систематизация, обобщение собранного материала, его изложение и оформление диссертации, сформулированы выводы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на межрегиональной научно-практической конференции "Реализация стратегии устойчивого развития города Ижевска: опыт и проблемы" (Ижевск, 2005), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения» (Ижевск, 2005), Международной научной конференции "75 лет высшему образованию в Удмуртии" (Ижевск, 2006), 7-ой Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2006), Научно-технической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения и охраны окружающей среды» (Ижевск, 2007), 8-ой Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2008), Международной конференции с элемента-

ми научной школы для молодежи «Производство. Технология. Экология» (Ижевск, 2010).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, практических рекомендаций и списка литературы, включающего 197 источников, в том числе 35 на иностранных языках и 4 приложений. Основной текст диссертации изложен на 130 страницах, иллюстрирован 21 рисунком и 11 таблицами, приложение включает 23 страницы.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю к.т.н., доценту Михаилу Георгиевичу Кургузкину за ценные консультации по всем разделам работы, помощь в планировании работы и аналитическом осмыслении материала; д.м.н., профессору, Сергею Борисовичу Пономареву за моральную поддержку и руководство при освоении методики экологического моделирования. Особую признательность автор выражает д.б.н., профессору кафедры инженерной защиты окружающей среды УдГУ Ирине Леонидовне Бухариной за ценные советы и замечания при написании диссертационной работы; к.т.н., доценту Юрию Алексеевичу Ельцову за консультирование при определении плотности почвы; студентам специальности «Инженерная защита окружающе среды» ИжГТУ - за помощь в отборе почвенных образцов и их анализе, описании геоботанических площадок на территории 1111 «Шаркан» и НП «Нечкинский».

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ РЕКРЕАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЭКОСИСТЕМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ 1.1. Рекреационное воздействие на экосистемы и его последствия

Рекреация представляет собой восстановление израсходованных человеком в процессе труда сил, а также накопление определенного запаса этих сил для дальнейшей деятельности, развития физического и интеллектуального потенциала. Сегодня под «рекреацией» понимается «система мероприятий, связанная с использованием свободного времени людей для их оздоровительной, культурно-познавательной и спортивной деятельности на специализированных территориях, находящихся вне их постоянного жительства» (Сытник и др., 1994). По существу рекреация означает восстановление физических, духовных и нравственно-психических сил, которое обеспечивается системой специальных мероприятий, осуществляющихся в свободное от работы время на лоне природы. Генсирук С.А. и др. выделяют ряд функций, которые характеризуют рекреацию: экономическую, социально-культурную, медико-биологическую и др. (Генсирук и др., 1987).

Под рекреационной деятельностью понимается разнообразная деятельность людей, ориентированная на восстановление собственных сил в соответствии со стандартами своего социокультурного образования. Рекреационная деятельность — составная часть этико-экологического стиля жизни, в котором интуитивно обретается утраченное единство человека с природой. Организация такой деятельности носит комплексный характер, так как в любой рекреационной системе во взаимодействие вступают: группы отдыхающих, природные комплексы, инфраструктура, сфера обслуживания и др (Глазовская, 1964, 1988; БЬеагс!, 1973; Данилов, 1978; Котляров, 1981; Костяев, 2001).

Своего рода фоном для непосредственной рекреационной деятельности являются объекты рекреации, под которыми понимаются материальные предметы, системы, процессы и явления, а также идеальные стандарты являющиеся условиями реализации разнообразной рекреационной деятельности (Кучеров и др., 2001). В качестве рекреационных объектов выступают используемые для отдыха места с ограниченной площадью: лесные поляны, реки и озера, памятники природы, лесопарки, различные

и

угодья, представляющие собой определенные ландшафты, биог