Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Продукция и запасы фитомассы в условно-естественных и антропогенно-нарушенных геосистемах Назаровской лесостепи

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Дубынина, Светлана Сергеевна, Иркутск

/ С-'-'

Российская академия наук Сибирское отделение ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи УДК 911.2 (571.51)

Дубынина Светлана Сергеевна

ПРОДУКЦИЯ И ЗАПАСЫ ФИТОМАССЫ В УСЛОВНО-ЕСТЕСТВЕННЫХ И АНТРОПОГЕННО-НАРУШЕННЫХ ГЕОСИСТЕМАХ НАЗАРОВСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ

11.00.01 - физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научные руководители:

Доктор географических наук, профессор В.А.Снытко Доктор географических наук Ю.М.Семенов

Иркутск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ' 4

Глава I. ТОПОГЕОСИСТЕМЫ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ

КАК ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 9

Глава 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ НАЗАРОВСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ 23

2.1. Географическое положение 23

2.2. Физико-географическое районирование 25

2.3. Геологическое строение и рельеф 27

2.4. Климатические условия 29

2.5. Почвы 31

2.6. Растительный покров 32

2.7. Антропогенное воздействие на состояние природной среды 36 Глава 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 39

3.1. Характеристика исследуемых фаций 39

3.2. Методы определения продуктивности 47

3.3. Методы экспериментальных исследований 52 Глава 4. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФИТОМАССЫ 56 В ГЕОСИСТЕМАХ НАЗАРОВСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ

4.1. Закономерности пространственного распределения фитомассы 56

4.2. Топологические уровни продуктивности запасов фитомассы 70

Назаровской лесостепи

4.3. Сезонная динамика надземной и подземной фитомассы исследуемых 73 фаций и изменение органического вещества в геосистемах Назаровской лесостепи

4.4. Многолетняя изменчивость фитомассы в геосистемах Назаровской ле- 83

состепи

4.5. Чистая первичная продукция растительного вещества геосистем 98 4. 6. Баланс органического вещества в геосистемах 106

Глава 5. ИЗМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФИТОМАССЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ 111 ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ

5.1. Динамика зеленой массы под влиянием разных доз золы 111

5.2. Изменение запасов мортмассы на экспериментальных площадках 135

5.3. Запасы и динамика подземной фитомассы в ходе эксперимента 143

5.4. Продукция растительных сообществ. Интенсивность продукционных и 148 деструкционных процессов

5.5. Баланс растительного вещества в остепненно-луговой разнотравно- 157 злаковой фации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 160

ЛИТЕРАТУРА 165

ПРИЛОЖЕНИЕ 183

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований определяется необходимостью разработки региональной системы оптимизации природопользования, включающей мероприятия по сохранению и восстановлению естественных геосистем Назаровской лесостепи - одного из наиболее освоенных регионов Красноярского края. Геосистемы Назаровской лесостепи, в разной степени нарушенные и находящиеся на разных стадиях восстановления, с одной стороны, находятся под усиливающимся воздействием предприятий Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК), создаваемого на базе крупнейшего буроугольного бассейна, а с другой стороны, эта территория служит одним из главных земледельческих районов Средней Сибири. Поэтому особое значение здесь имеет познание механизмов функционирования естественных и антропогенно-нарушенных геосистем, включающее изучение продуктивности, динамики и запасов фитомассы при различных уровнях ландшафтопользова-ния.

Основная цель работы - изучить продукцию, динамику и запасы фитомассы в условно-естественных и антропогенно-нарушенных геосистемах Назаровской лесостепи. Исходя из обозначенной цели, в диссертации решались следующие задачи:

- выявить пространственно-временные изменения продуктивности фитомассы в естественных и антропогенно-нарушенных геосистемах;

- определить закономерности сезонной и многолетней динамики растительного вещества и его отдельных видов, а также структуры фитомассы;

- установить интенсивность и скорость продукционно-деструкционных процессов в условно-естественных и антропогенно-нарушенных геосистемах ;

- изучить особенности восстановительных сукцессии в геотехнических системах нарушенных земель (отвалов);

- установить влияние аэрозольных выбросов на продуктивность растительных сообществ и динамику фитомассы;

- дать экспериментальную оценку устойчивости фитомассы к техногенным нагрузкам;

- определить взаимосвязи продуктивности фитомассы исследуемых геосистем.

Объекты и методы исследования. Объектами изучения служили условно-естественные и антропогенно-нарушенные геосистемы Назаровской лесостепи. Детальными исследованиями являлись фации 5-ти профилей Березовского участка, а также фации Захаринского и Назаровского участков. На Березовском участке было выбрано 12 условно-естественных ландшафтных фаций и 7 их антропогенных модификаций (залежи, агроценозы, отвалы). Кроме того, режимные наблюдения за динамикой и продукционно-деструкционными процессами фитомассы, а также за ходом восстановительных сукцессии в ходе техногенеза и после снятия техногенных нагрузок, проводились на 25 экспериментальных площадках с внесением различных доз золы ГРЭС.

По уровню накопления фитомассы все исследуемые геосистемы были объединены в две группы: 1) условно- естественные, которые характеризуются относительной стабильностью динамики и продукционно-деструкционных процессов фитомассы, и 2) антропогенно-нарушенных с высокой изменчивостью показателей запасов фитомассы, видовой насыщенности и годичной продукции.

Стационарные наблюдения за продуктивностью фитомассы проводили с 1981 по 1997 гг. За период наблюдений проведены исследования запасов фитомассы как в течение вегетационного периода (с мая по октябрь), так и в многолетнем временном ряду.

Теоретической основой и руководящими принципами в данной работе служили идеи о динамики растительности, изложенные в учение о геосистемах В.Б.Сочавы (1978), методика ландшафтно-геохимического анализа и синтеза (Снытко, 1978); Снытко, Семенов, Мартынов, 1987; Семенов, 1991) и методические указания к изучению динамики органического вещества и биологи-

ческого круговорота (Родин, Базилевич, 1965; Базилевич, Титлянова, Смирнов, и др. 1978).

Научная новизна. Диссертация представляет собой работу по изменению продукции и динамики запасов фитомассы в условно-естественных и антропогенно-нарушенных геосистемах Назаровской лесостепи, одновременно прослежены сезонные, многолетние ряды наблюдений (16 лет). Установлено, что величина запасов фитомассы, ее фракционная структура, скорость создания первичной продукции живого вещества, а также продукционно-деструкционные процессы обусловлены условно-естественными и антропогенно-нарушенными факторами, условиями тепла и влаги и местоположением геосистем. Выявлены закономерности функционирования растительных сообществ и при разных уровнях ландшафтопользования, а также особенности восстановительных сукцессий на нарушенных землях (отвалах). Определена скорость формирования молодых посттехногенных геосистем, выявлена стадийность их восстановления. Установлено, что при внесении больших доз золы ГРЭС наблюдается торможение роста растений, приводящее к удлинению периода вегетации и сдвигу фенфаз, смене растительности в результате изменения реакции среды в сторону подщелачивания и трансформации физико-химических свойств почв в слое 0-50 см. Выявлена возможность возвращения нарушенных техногенным воздействием геосистем при снижении уровня нагрузок в исходное состояние осуществляемое за счет механизмов адаптации и приближения запасов фитомассы к естественному состоянию геосистем.

По результатам исследований сформулированы следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Топологическая дифференциация продукции и запасов фитомассы геосистем определяется особенностями ландшафтной структуры территории и уровнями ландшафтопользования.

2. Динамика растительного вещества, интенсивность и скорость продук-ционно-деструкционных процессов отражают различия условно-естественных и антропогенно-нарушенных геосистем.

3. Способность геосистем противостоять воздействию техногенных загрязнителей осуществляется за счет механизмов адаптации фитоценозов путем увеличения или уменьшения фитомассы.

Практическая значимость. Результаты исследования имеют практическую ценность для обоснования природоохранных мероприятий с позиций учета изменения продуктивности фитомассы геосистем как наиболее уязвимой части природной среды. Эти материалы могут быть использованы в прогнозировании последствий воздействия тепловых станций и угольных разрезов на геосистемы с целью ликвидации негативных явлений. Результаты исследований включены в отчеты Института географии СО РАН по оценке состояния географической среды КАТЭКа и ландшафтно-экологическому обоснованию системы рационального использования природных ресурсов на базе экспериментальных исследований и географического прогнозирования изменения геосистем под воздействием объектов первой очереди КАТЭКа.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории географии почв и геохимии ландшафтов Института географии СО РАН в рамках плановой научно-исследовательской темы «Ландшафто-геохимические исследования геосистем», инициативных научных проектов РФФИ «Ландшафтное прогнозирование на базе стационарных и экспериментальных исследований состояния геосистем», «Разработка принципов и методов количественной классификации геосистем (на примере районов юга Средней Сибири)» и «Устойчивость островных степей Сибири к антропогенным нагрузкам».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях лаборатории географии почв и геохимии ландшафтов, лаборатории комплексных физико-географических проблем Института географии СО РАН, научных конференциях и совещаниях, в том числе на конференции «Географические стационары и экстраполяция результатов» (Иркутск, 1988), международной конференции по экологии Сибири (Иркутск, 1993), семинаре-конференции «Стационарные географические исследования и ландшафтное прогнозирование» (Иркутск, 1994), региональной конференции «Российский фонд фундаментальных исследований в Сибирском регионе

(земная кора и мантия)» (Иркутск, 1995), IX совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 1995), VI научном совещании по прикладной географии (Иркутск, 1996), международной конференции «Классификация геосистем» (Иркутск, 1997), Всероссийской конференции «Экологический риск: анализ, оценка, прогноз» (Иркутск, 1998).

Работа выполнялась под руководством доктора географических наук, профессора В.А. Снытко и доктора географических наук Ю.М. Семенова.

В ходе выполнения данной работы автор пользовался советами и консультациями д.г.н Е.Г.Нечаевой, к.г.н. Баженовой, к.г.н. И.Б.Воробьевой, к.г.н. Т.Е.Афониной, к.г.н. О.А.Зайченко, к.г.н. Г.Н.Мартьяновой, к.г.н. Т.И.Коноваловой, к.г.н. О.Ю.Палкина, к.б.н. Е.В.Напрасниковой, к.б.н. А.М.Антоненко, сотрудников лаборатории географии почв и геохимии ландшафтов А.К.Ждановой, Т.В.Петровской, /|,В.Торлиной. Всем названным коллегам и помощникам автор выражает искреннюю благодарность.

Глава I.

ТОПОГЕОСИСТЕМЫ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ КАК ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Изучение биологической продуктивности природных объектов - необходимая основа рационального использования природных ресурсов, поскольку влияние производственной деятельности человека увеличивается с нарастающей интенсивностью. Решение этой сложной проблемы потребует от науки всестороннего комплексного изучения окружающей среды понимания что она является совокупностью иерархически соподчиненных и взаимосвязанных систем разных порядков от элементарных фаций до глобальной геосистемы (Сочава, 1974, 1975; Исаченко, 1976).

Для оценки состояния окружающей среды применяется целый ряд методов, важное место при этом отводится физико-географическим исследованиям, которые направлены на познание закономерностей дифференциации, интеграции и функционирования геосистем.

Выделение трех организованных уровней геосистем - планетарного, регионального и топологического - определяет дифференцированный подход к изучению природной среды. Так, общее землеведение изучает в основном геосистемы планетарного уровня (Калесник, 1955; Рябчиков, 1972). Региональные геосистемы - традиционные объекты физико-географического районирования (Михайлов, 1961; Исаченко, 1965; Макунина, 1974), а геосистемы топологического уровня - основной объект ландшафтоведения (Солнцев, 1949; Исаченко, 1980, 1991). К этому уровню можно отнести сравнительно простые и однородные по структуре элементарные ландшафты (Полынов, 1956; Глазовская, 1964), биогеоценозы (Сукачев, 1964), физико-географические фации (Сочава, 1978).

Подходы к определению объектов и предметов изучения географии менялись на протяжении истории развития науки. Общим оставалось одно, главный объект географической науки - поверхность Земли. П.И.Броунов (1910) предложил рассматривать в качестве объекта географии "современное

физическое устройство наружной земной оболочки". Предлагались разные термины: географическая оболочка, геосфера, ландшафтная сфера и др. А.А.Григорьев (1937) считал, что главная задача науки состоит в познании структуры географической оболочки. С.В.Калесник (1955) уточнил определение объекта географии, включив в него структуру географической оболочки, законы и ее формирования, пространственного распределения и развития. И дело здесь не только в большой простоте термина географическая оболочка, а в том, что в новом термине находит признание участие человека в современной структуре наружной оболочки Земли и продуктов его деятельности.

Учение о географической оболочке - это та призма, которая помогает определить географическую принадлежность изучаемых предметов, процессов, где наиболее активно взаимодействуют литосфера, гидросфера точное название ее - "биологический фокус Земли" (по Ф.Н.Милькову, 1990). В пределах географической оболочки Ф.Н.Мильковым была выделена ландшафтная сфера, которая является объектом исследования ландшафтоведения. Это небольшая по мощности сфера поверхностная сфера включает кору выветривания, почвы, растительность, животный мир, приземный слой атмосферы, поверхностные и грунтовые воды суши. Разрабатывая принципы и общие положения физической географии А.А.Григорьев (1966) создал учение о географической оболочке как о ландшафтной сфере Земли. Вещество, пребывающее в этой сфере в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) находится в тесной связи и взаимодействии за счет двух источников энергии: солнечной радиации и внутриземного тепла. Живое вещество, или органический мир, в свою очередь, придают географической оболочке новое качество, видоизменяя развивающиеся в ней физико-географические процессы. Именно в ландшафтной сфере сложились наиболее благоприятные условия для развития жизни. Ландшафтная сфера - это область формирования и развития ландшафтов суши. Ландшафт - это прежде всего конкретный участок земной поверхности, ограниченный природными рубежами. Он характеризуется территориальной целостностью, генетическим единством,

однородностью геологического строения, рельефа, климата, единообразным сочетанием гидротермических условий почв и биогеоценозов.

Понятие "географический ландшафт" получило свое развитие в трудах Л.С.Берга, С.В.Калесника, В.Б.Сочавы, Д.Л.Арманда, в последние годы -А.Г.Исаченко, Ф.Н.Милькова, Н.А.Солнцева. Ставя чрезвычайно высоко учение В.В.Докучаева о природных зонах, Л.С.Берг (1947), более чем кто-либо другой, содействовал его дальнейшему развитию. Он впервые создал первую систему таксономических единиц естественных природных комплексов или сочетаний (зона - ландшафт - фация).

Л.Г.Раменский (1938) и Н.А.Солнцев (1949) развивали правильную мысль, что ландшафт состоит из многих частей, образующих закономерные сочетания. Задача внутриландшафтного районирования заключается в выявлении главнейших сочетаний, территориально связанных друг с другом и вместе с тем качественно различных. Поэтому трехступенчатая схема разделения ландшафта (район, группа урочищ, урочища) может быть признаны достаточной. Наиболее дробной и однородной внутри себя частью ландшафта по Л.С.Бергу (1945) является фация, по В.Н.Сукачеву (1942) - биогеоценоз, по Л.Г.Раменскому (1938) - урочище, по Н.А.Солнцеву (1949) - звено ландшафта.

При последующем пересмотре теории физико-географического районирования была предложена схема разделения земной поверхности на три порядка: 1. физико-географические пояса и области; 2. зоны, подзоны, провинции, подпровинции, округа; 3. районы, группы урочищ, урочища (Сочава,1956)

Представления о ландшафте как основной таксономической единице районирования получает достаточную определенность, хотя формулировки понятия о ландшафте как "географическом индивидууме" и установление