Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Рост и индикаторная роль древесных растений в урбанизированной среде

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Рост и индикаторная роль древесных растений в урбанизированной среде"

На правах рукописи

Авдеева Елена Владимировна

РОСТ И ИНДИКАТОРНАЯ РОЛЬ

ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЕ (на примере г. Красноярска)

03 00 16 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

ООЗ162303

Красноярск - 2007

003162303

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Научный консультант

доктор биологических наук, профессор Валерий Васильевич Кузьмичев

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор доктор биологических наук, профессор доктор биологических наук, с н с

Людмила Степановна Шугалей Александр Ильич Грибов Виктор Иванович Воронин

Ведущая организация Институт леса им В Н Сукачева СО РАН

Защита состоится 09 ноября 2007 года в 9Ш часов на заседании диссертационного совета Д 220 037 01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу 660049, г Красноярск, пр Мира, 90

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу 660049, г Красноярск, пр Мира, 90

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного аграрного университета

Автореферат разослан О . 1С. 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета ^/¿у— д Е Полонская

Актуальность проблемы определяется неблагоприятной экологической ситуацией в крупных промышленных центрах Сибири, сложившейся под воздействием техногенных нагрузок, обуславливающих антропогенную модификацию окружающей среды Это приводит к изменениям свойств отдельных биотических компонентов и качества жизни населения Важным элементом природного каркаса урбоэкосистем и средством улучшения его градостроительных качеств выступает система озеленения

В настоящее время сложившиеся приемы создания системы озеленения города Красноярска и других городов Сибири, ландшафтно-эстетические принципы ее формирования, а также нормативно-техническая база проектирования не обеспечивают комфортность городской среды Поэтому основой разработки направлений и принципов реконструкции системы озеленения должны служить результаты экологических исследований ландшафтных процессов, выявлений основных источников экологических напряжений, изучения интегрированного воздействия техногенных стрессоров

Создание и сохранение оптимальных условий для проживания человека возможно только при обеспечении необходимого экологического баланса для всех живых организмов и биосферы в целом Поэтому оценку качества среды необходимо проводить по реакциям растительных организмов на условия произрастания Необходимы учет и анализ свойств древесных растений, таких, как устойчивость (способность к саморегуляции), стабильность, способствующая сопротивляемости экосистем различным видам воздействия, динамичность, функциональность, эстетичность, индикаторная способность, позволяющие оценить состояние экосистемы При этом взамен существующей глазомерной оценки зеленых насаждений необходима разработка точных критериев и аналитических методов Требуется обоснование показателей, позволяющих установить закономерности формирования зеленых насаждений и выполнения экологических (полезных) функций в процессе их жизнедеятельности, а также степень эмоционального восприятия древесных растений в условиях города и оценки состояния окружающей среды

цвль - изучение специфики роста и индикаторной роли древесных растений, обоснование структуры и методов мониторинга зеленых насаждений с целью повышения качества городской среды

основные задачи Для достижения поставленной цели решались следующие задачи

1 Изучить соответствие насаждений объектов озеленения городской среды дендроклиматическим ресурсам и ландшафтным особенностям территорий

2 Провести исследования динамики формирования техногенных воздействий и ее влияния на микроклиматические условия городской среды, разработать классификацию городских территорий с обоснованием типов градорастительных условий

3 Исследовать особенности роста и реакции отдельных видов древесных растений на техногенные воздействия различного уровня Обосновать выбор вида древесного растения как индикатора состояния городской среды Оценить функциональную эффективность зеленых насаждений в урбосреде

4 Обосновать систему аналитических методов для определения уровня экологического риска городских территорий по показателям индивидуального роста дендроиндикатора, разработать методику определения уровня качества объектов озеленения

Научная новизна.

1 Установлено, что в условиях сибирских городов многообразие сочетаний ландшафтных и градостроительных условий, осложненное различными комбинациями техногенных загрязнений, приводит к формированию большого числа локальных условий произрастания, оценить и сгруппировать которые возможно дендроиндикационными методами

2 Разработана методика оценки экологического состояния и классификация городских территорий по типам градорастительных условий

3 Исследованы закономерности роста древесных растений в урбанизированной среде Установлено, что реакции древесных растений на стрессовые воздействия имеют видовые особенности, что проявляется в изменениях формы, размеров, фитонасыщенности крон

4.0боснован вид-индикатор для оценки качества городской среды Установлено, что параметры роста и степень заполнения крон фитомассой лиственницы сибирской отражают уровень стрессовых воздействий и экологического риска территорий

5 На базе аналитических методов разработана методика оценки экологического и эстетического состояния зеленых насаждений Основой ее является положение о том, что соответствие основных биометрических параметров древесных растений инвариантам устойчивости отражает уровень экологического состояния территорий

Защищаемые положения.

1 Условия произрастания древесных растений в урбанизированной среде, определяемые комплексом взаимосвязанных природно-климатических, ценотических, градостроительных и техногенных факторов, классифицируются по их различиям как типы градорастительных условий

2 Реакции древесных растений на стрессовые воздействия городской среды имеют видовые особенности, что проявляется в многообразном изменении их габитуса (формы, размеров, фитонасыщенности крон)

3 Среди изученных видов древесных растений лиственница сибирская, обладая наибольшей чувствительностью, отражающей стрессовые воздействия городской среды, является эффективным видом-индикатором Показатели роста и степень заполнения крон фитомассой выступают основными признаками-маркерами уровня экологического риска территорий

4 Оценка эстетического и экологического состояния древесных растений более достоверно проводится на основе аналитических методов (золотые пропорции, ритм, симметрия, фрактальность) При этом степень соответствия основных параметров древесных растений инвариантам устойчивости может служить как характеристикой их индивидуального роста, так и уровня загрязнения городской среды

5 Оценка уровня качества объектов озеленения методами квалиметрии

повышает достоверность результатов, сокращает сроки и повышает эффективность проведения озеленительных работ Практическая значимость работы заключается в том, что

■ установленные связи параметров экологических ниш древесных растений и дендроклиматических ресурсов среды позволяют использовать в городском зеленом строительстве виды, наиболее приспособленные к местным условиям,

■ методика диагностики градорастигельных условий является новым инструментом оценки качества среды и может служить основой мониторинга,

» методы усиления экологических функций, выполняемых зелеными насаждениями с учетом условий произрастания и плотности их создания, направлены на повышение комфортности городской среды,

■ методика количественной оценки уровня качества объектов озеленения обеспечивает научно обоснованный подход при их проектировании и реконструкции, выборе ассортимента растений для различных функциональных категорий системы озеленения крупных промышленных центров Сибири,

■ предложены направления реконструкции системы озеленения городских территорий на основе классификации их по типам градорастительных условий, рекомендаций по выбору видового состава и структуры насаждений апробация По теме диссертации опубликовано 57 статей, три монографии, 8 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ Основные результаты и положения работы были представлены и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях «Лесной и химический комплексы проблемы и решения» (Красноярск, 1994-2004), «Химико-лесной комплекс научное и кадровое обеспечение в 21 веке» (Красноярск, 2000), «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 1995-2004), «Экология большого города» (Москва, 2004), «Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» (Москва, 2005), «Проблемы озеленения городов» (Москва, 2006, 2007), региональных конференциях «Достижения науки и техники - развитию города», (Красноярск, 1997), XVII научно-технической конференции КрасГАСА, (Красноярск, 1999), с международным участием «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов», (Красноярск, 1999), «Педагогические проблемы и информационные технологии в системе непрерывного образования» (Красноярск, 2000), «Стратегия социально-экономического развития города Красноярска до 2010 года» (Красноярск, 2004)

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 382 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (из 358 наименований), иллюстрирована 84 рисунками, содержит 97 таблиц

Личный вклад автора. Представленная работа является результатом многолетних исследований автора, который разрабатывал программы, методики, проводил натурные обследования, экспериментальные исследования, анализ, обобщение и интерпретацию полученных результатов

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы

Глава I.

Состояние вопроса Научно-методические основы исследований

Ландшафт современного города отражает все разнообразие и противоречивость происходящих в нем процессов Анализ исследований экологии городов [Чистякова, 1988, Владимиров, 1999, Природный , 2000, Большаков, 2000, Маслов, 2000] показывает, что расширение городских территорий и современные технологические возможности их преобразования до минимума свели индивидуальный облик природной среды, на которой размещен город Экологическое состояние крупного сибирского города усугубляется тем, что природная среда Сибири обладает низким уровнем ландшафтной устойчивости Проблема обостряется недостаточностью научных исследований и планировочных решений по вопросам рационального использования и сохранения природной среды Поэтому для повышения устойчивости благоприятной среды городов необходимо выявить основные источники экологических нарушений и наметить пути их устранения или ограничения

Выбору объектов исследований предшествовало детальное изучение экологической обстановки, природно-климатического фона и натурное обследование объектов озеленения г Красноярска В процессе экспериментальных исследований изучались и определялись следующие характеристики биометрические параметры деревьев, параметры структуры насаждений и градорастительные условия

1 Биометрические параметры деревьев (размеры стволов и крон) изучались для четырех видов древесных растений лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb), березы повислой (Betula pendula Roth), ели сибирской (Picea obovata Ledeb), липы мелколистной (Tilia cordata Mill), в возрасте от 8 до 50 лет

Объем экспериментальных данных представлен 210 объектами озеленения города Красноярска, на которых обследовано около трех тысяч деревьев в 2002 -2003 годах При этом 260 деревьев на 23 объектах обмерены повторно (первичные исследования проводились в 1991-92 гг) Исследуемые насаждения принадлежат к различным категориям озеленения 72 участка заложены в насаждениях общего пользования (скверы, парки, озеленение набережных и площадей), 138 - в посадках улиц и магистралей Для исследования степени фитонасыщенности крон с использованием специально разработанных программ обработано более 350 цифровых фотографий и видеозаписей Необходимое и достаточное количество повторностей опытов определялось известными методами

На каждом участке обмерялось не менее 10 деревьев и получены следующие биометрические параметры, необходимые для вычисления характеристик дерева, таких, как длина кроны и ее освещенной поверхности, объем ствола и кроны высота дерева, высота до максимального диаметра кроны, высота до начала кроны, диаметр дерева на высоте 13 м, диаметры кроны, обмеренные в двух взаимно перпендикулярных направлениях

2 Параметры структуры насаждений Городские объекты озеленения, в отличие от естественных насаждений, формируются с учетом норм, разработанных для зеленых насаждений различного функционального назначения, которые не всегда адаптированы к местным природным условиям и техногенным нагрузкам,

что усложняет рост растений в городской среде и не дает ожидаемого санитарного и эстетического эффекта

Анализ пространственной структуры городских объектов озеленения показал, что все разнообразие насаждений можно объединить в два типа произрастания древесных растений Основанием к унификации послужили общность пространственных параметров насаждений и, следовательно, закономерные различия изменений габитуса деревьев Первый тип пространственной структуры (I) объединяет насаждения, деревья в которых растут и развиваются в сообществе, — групповой тип произрастания, второй тип (II) -насаждения, состоящие из свободно растущих деревьев — свободный тип произрастания, т е растения в них не вступают в фазу роста в сообществе 3 Градорастительные условия, являющиеся сочетанием природно-климатических, техногенных и социальных условий города, определялись с использованием разработанной нами методики

Для определения реакций древесных растений на техногенное воздействие среды проведен комплекс исследований процессов роста как отдельных деревьев, так и их совокупностей, изменение его формы и скорости, что позволяет прогнозировать динамику состояния древесных растений, оптимизировать структуру и видовой состав городских насаждений, проектировать объекты озеленения, адекватно отвечающие условиям среды и повышающие ее качество

В настоящее время накоплены материалы, дающие представление о характере и направленности энергетических процессов, протекающих в лесных сообществах, и о трансформации ими факторов среды Анализ исследований показывает, что влияние фитоценозов на основные факторы среды в значительной степени определяется количеством сконцентрированной в них фитомассы и характером ее пространственного размещения [Протопопов, 1975, Загреев, 1978, Молчанов, 1973, 1983, Уткин, 1984, 1997, 2000, Усольцев, 1985, 1988, 1995, 2001, 2005] Для оценки роли зеленых насаждений и доли их участия в повышении качества урбанизированной среды определяется их биологическая продуктивность, которая зависит от фитомассы зеленых насаждений и от общей первичной продукции Наиболее полно процесс биопродуктивности может быть описан тремя группами параметров качественными, количественными и морфометрическими [Усольцев, 1995] Они и положены нами в основу исследований фитомассы городских насаждений

Оценка санитарного и эстетического состояния древесных растений по состоянию крон деревьев проводится в настоящее время либо глазомерно, что приводит к субъективности результатов, либо методами эвклидовой геометрии (по площади горизонтального сечения и объема крон, в которых неодинаковую часть составляют незанятые пространства), что не отражает их физического смысла и свидетельствует о необходимости использования других подходов к их измерению Поэтому для объективной характеристики состояния зеленых насаждений нами использовались аналитические методы фрактальной геометрии [Баранцев 1988, Федер, 1991, Пайтген, Рихтер, 1993, Ze^de, 1998, Синергетика , 1998, Исаева, 2002, Баранцев, 2003, Трубецков, 2004, Евин,

2004]

Крона дерева является фрактальной структурой (кластером), а плотность ее заполнения характеризуется фрактальной размерностью массы (Zeide, 1998, Федер, 1991, Пайтген, Рихтер, 1993, Баранцев, 2004, Трубецков, 2004) Описание процесса изменения степени фитонасыщенности крон лиственницы было выражено в дробных «решетчатых» единицах, а их расчет проведен с применением специально разработанных программ на основе цифровых фото- и видеозаписей В программе для определения фрактальной, в данном случае «решетчатой», размерности фитонасыщенности крон заложен метод подсчета квадратов (box counting)

Преобразование среды древесной растительностью определяется биологией основных видов, их морфологическими и физиологическими особенностями [Молчанов, 1983, Цыганов, 1983, Kohyama, 1997, Заугольнова, Смирнова, 2000, Носова, Тихонова, Леонова, 2005] Несомненно, что структура живой системы создается для выполнения определенных функций, которые являются по существу целью и критерием процесса ее жизнедеятельности [Белов,1964, By, 1971, Протопопов, 1975, Протопопова, 1982, Мальков, 1985,Полевой, 1989, Бурков, 1990, Якушина, 1990, Цельникер и др, 1993 Александров, 2001, Исаенко, Денискин, 2003] Поэтому в целях обоснования ассортимента древесных растений и прогноза последствий техногенных преобразований проведена оценка функциональной роли (полезные свойства) зеленых насаждений с учетом особенностей условий их произрастания

Химические соединения техногенного происхождения, попадая в городскую среду, модифицируются биотическими и абиотическими составляющими, поэтому их окончательное воздействие на компоненты окружающей среды сложно прогнозировать Интегральную оценку состояния окружающей среды можно получить методом биологической индикации, т е определить состояние среды по реакциям живых организмов-биоиндикаторов в показателях, имеющих биологический смысл [Биоиндикация , 1988, Мэннинг, Федер, 1988, Ярмишко, 1997] Морфологические особенности древесных растений являются достаточно информативными для определения стабильности их роста и степени изменения условий их произрастания [Николаевский, 1979, 1998, 2001, Цыганов, 1983, Мэннинг, Федер, 1988, Соловьев и др, 1989, Воронин, 1989, Ярмишко, 1997, Заугольнова, Смирнова, 2000, Шелухо, 2001, Носова и др , 2005] Поэтому актуально проведение диагностики экологической комфортности среды по реакции изменения биометрических показателей (признаков-маркеров) древесных растений [Шемберг, Жарко, 1984] На основании этого, нами обоснованы методы исследования и система параметров, характеризующие динамику процессов жизнедеятельности древесных растений в условиях урбосреды Они позволяют установить закономерности роста, выполнение экологических функций, эмоциональное восприятие древесных растений, оценить состояние экологического риска городских территорий Предложенный комплекс структурных, функциональных и эстетических исследований представлен в таблице 1 Составлена классификация процессов и факторов, определяющих стабильность роста древесных растений в

урбанизированной среде Инвариантами стабильности роста растений и оценки среды выступают ритмические процессы роста в естественных условиях, «золотые» пропорции сечения и вурфа, выполнение живыми объектами принципа оптимальности (соответствие структурных и функциональных характеристик) [Морозов, 1962, Риклефс, 1979, Удовенко, 1979, Илькун, 1982, Метюк, 1983, Гродзинский, 1983, Полевой, 1989, Реймерс, 1990, Рожков, 2003, Башкин, 2005] Степень соответствия показателей роста вида-индикатора инвариантам стабильности позволяет оценить качество урбосреды

В процессе функционирования городских зеленых насаждений под воздействием факторов урбанизированной среды постоянно изменяются их состояние, эффективность выполнения заданных функций и, следовательно, качество объектов озеленения Для проведения целенаправленной работы по управлению их качеством необходима периодическая оценка их соответствия градостроительным и социальным требованиям Таким образом, объекты озеленения выступают предметами прикладной квалиметрии, основная задача которой состоит в измерении степени соответствия качества объекта требованиям потребителей методами количественной оценки [Азгальдов, Райхман, 1972, Гличев, 1977, 1992, Репях, Левшина, Ковалев, 1999] На основании этого нами разработана классификационная система показателей качества с иерархической многоуровневой структурой, адаптированы методики прикладной квалиметрии для расчета параметров весомости единичных показателей и оценки уровня качества объекта озеленения

ГЛАВА II

Динамика формирования урбанизированной среды Ландшафтные ресурсы, на базе которых создаются урбанизированные комплексы, предопределяют граничные условия их техногенной трансформации Территория города Красноярска и его зеленой зоны располагается на стыке трех геоморфологических стран и характеризуется значительным разнообразием рельефа Долина реки Енисей является полосой переходных ландшафтов между этими природными странами, зональные ландшйфтные подразделения имеют переходные черты (Герасимов, 1964, Кириллов, 1977, Безруких, Кириллов, 1993) Растительный покров на территории района исследования сформировался под воздействием структурных и климатических особенностей местности и представлен тремя зонально-поясными экосистемами таежных лесов, подтаежных лесов и лесостепной Основными лесообразующими породами в лесах зеленой зоны города Красноярска являются сосна, береза и лиственница [Ландшафтная основа , 1995], под влиянием сложившихся ландшафтных структур формируются различные мезоклиматические условия

Таблица 1 - Алгоритм исследований

Система экологических критериев Параметры древесных растений Ствол Крона

Высота, л/ Диаметр ствола, ел/ Протяженность, л/ Диаметр кроны, л/ Длина освещенной ■части кроны,

М I ' 11 II

- - ' > Объем ствола. Объем кхзоны. Площадь освещенной лл* поверхности кооны. лг

1 1 | !

Общая фитомасса надземной части, "Удельная чистовая Ппотностьфизическая поверхность, ¿а/Кг

! ' ' ! ,1 Ствол | Ветви 1 Листва 1________^ Индекс листовой 1 | Схвоя') 1 поверхности, га/га 1 ! ! ! < --!

а и - К"г>пна | .. - ....... . ....

Показатели толерантности древесных растений к внешним условиям и инварианты устойчивости систем Габитус дерева Закономерности роста древесных растений в городской среде Классификация древесных растений в зависимости от варьирования их биометрических параметров под воздействием факторов городской среды Построение рядов хода роста

Оценка биопродуктивности насаждений

Группы параметров Характеристики Методические основы

Морфо-метрические Фитонасыщенность крон Листовой индекс Фрактальная размерность массы Отношение площади поверхности листьев к площади участка, га*га '

Качественные Фракционный состав фитомассы дерева (насаждения)

- абсолютные значения, -относительные значения, % Древесная составляющая - ствол, скелет кроны, Ассимилирующая масса - хвоя (листва)

Количественные Значения запаса фитомассы и годичной продукции где Г - показатели продуктивности запас фитомассы, т/га, общая первичная продукция, т/га в год,а, е- коэффициенты уравнений, с1-диаметр ствола, см, к - высота дерева, м

Продолжение таблицы 1

Экологические направления исследований, инварианты устойчивости

Структурные Функциональные Эстетические

Архитектоника кроны Структура кроны • абсолютные значения, • процентные соотношения, • фитонасыщенность, • ^/н • фитонасыщенность крон - в вегетационный период, - период покоя Связь активности выполнения экологических функций с - состоянием эффективной кроны, -«сплюстнутостью» кроны или коэф формы - ^кр /¿общ ) пространственной структурой насаждений Золотые пропорции • золотое сечение - Р и=н/ р=1ш £/->1-618... • золотой вурф - 1ип^->1.309.. • подобие фигурам с гармоническими пропорциями • Синестезия

Симметрия Горизонтальная проекция максимального диаметра кроны Коэффициент асимметрии - \ \ Билатеральная вертикального профиля дерева Признаки тождественности углы наклона ветвей

Ритм Скорость прохождения фаз развития дерева в онтогенезе Продолжительность периода развития в естественных условиях Продолжительность периода в условиях города Цветопластические фенологические циклы

Фракгальность Фрактальная размерность кластера фитонасыщенности кроны - (1 «Решетчатая» размерность 2 > <1> 1 - размерность вертикальной проекции дерева

Индикация экологической комфортности территории Нормализация критериев оценки экологической ситуации Формирование ранговых шкал соответствия критериев состояния индивидуального развития древесной растительности и степени экологической комфортности территории

Оценка качества объектов озеленения Обоснование системы показателей качества («дерева свойств») и методики оценки уровня качества городских зеленых насаждений на основе методов прикладной квалиметрии

В качестве исходных материалов для анализа метеорологических условий использовались данные многолетних наблюдений на метеостанциях Столбы, Сорокино, Красноярск, Опытное поле, Красноярск, город [Шульгин, 1973, Будыко, 1980, Климат , 1982, Шашко, 1985, Гольцберг, 2000, Лосев, Журина, 2001] Результаты оценки дендроклиматических ресурсов с учетом ландшафтных особенностей территории района исследований показывают, что она обладает значительным биологическим потенциалом и дифференцируется на три дендроклиматических подрайона

Ландшафтные условия определяют распространение и продуктивность растительности Поэтому дяя полного использования возможностей древесных растений в городских насаждениях необходимо установить степень соответствия климатических ресурсов местности требованиям растений Сопоставление параметров экологических нищ 13 видов древесных растений, используемых в озеленении города, с ландшафтно-климатическими ресурсами данной местности показало, что на территории темнохвойной и светлохвойной тайги сумма активных температур не отвечает биологическим требованиям таких древесных пород, как дуб монгольский, липа Ландшафты лесостепи и степи по условиям сочетания температуры и влажности не соответствуют требованиям для роста пихты и ели Параметры экологических ниш лиственницы, березы и сосны соответствуют климатическим условиям всех рассматриваемых природных районов, липы и ели - основным ландшафтным зонам города, показатели экологических ниш остальных видов - имеют пограничные значения Данные результаты обусловили выбор объектов исследований Установленные связи параметров экологических ниш древесных растений с оценкой ресурсов среды содержат информацию о чувствительности растений к определенным факторам, что способствует внедрению наиболее приспособленных к местным условиям древесных видов в городское зеленое строительство и подбору адекватных технологических мероприятий по уходу за насаждениями

Анализ литературных источников [Протопопова, 1972, Лоскутов, 1998 и др ], состав растений, выращиваемых в дендрариях Института Леса и СибГТУ, и проведенные исследования показывают возможность расширения ассортимента древесных растений в озеленении города Красноярска и населенных пунктах, расположенных в его зеленой зоне, с учетом особенностей местности В целом природный каркас территории обладает значительным потенциалом для развития природно-техногенной системы и при рациональной организации системы озеленения (структура, ассортимент) способен поддерживать устойчивое экологическое равновесие в урбанизированном комплексе

Исторические аспекты взаимосвязи природного окружения, композиционной структуры и системы озеленения города

Важным показателем состояния комфортности урбанизированных территорий является обеспеченность жителей города озелененными территориями При анализе состояния системы озеленения города необходимо иметь в виду, что только в результате совместного развития всех категорий зеленых насаждений складывается интегральный средозащитный и эстетический эффект городского ландшафта Анализ исследований и результаты практической

апробации показали, что достичь желаемого уровня комфортности в промышленных городах Сибири возможно при общей площади зеленых насаждений не менее 30% от площади городских земель [Лунц, 1974, Коропачинский, 1983, 1987, Неверова, Колмагорова, 2003] В настоящее время площадь территории города Красноярска составляет 37,9 тыс га Следовательно, озелененные пространства должны составлять не менее 11,4 тыс га и состоять из зеленых насаждений и городских лесов В целом по городу площадь зеленых насаждений равна 0,8 тыс га, городских лесов - 6,0 тыс га, общая площадь озеленения — 6,8 тыс га Полученные данные говорят о том, что озелененность территории города составляет лишь 60 % от нормативной, то есть на 4,5 тыс га меньше вышеуказанного оптимального соотношения площади застроенных и «зеленых» территорий

Площадь зеленых насаждений общего пользования (насаждения общегородских и районных парков, межквартальных садов, скверов, бульваров и набережных) в Красноярске составляет 480 га Норма зеленых насаждений данной категории составляет 16 м2/чел (согласно данным перспективного плана озеленения Красноярска будет увеличена до 21м3/чел), фактическая же обеспеченность составляет 5,3 м2/чел Недостаток озеленения общего пользования составляет 67% от существующих и 75% от перспективных нормативов Требуется проведение работ по значительному расширению площадей озелененных территорий общего пользования дополнительно около 2,0 тыс га

Анализ качественных (видового состава и структурных особенностей) характеристик озелененных территорий показал, что с учетом коллекций ботанических садов и дендрариев, ассортимент древесных растений в озеленении города представлен достаточно разнообразно (более 400 видов и разновидностей) [Протопопова, 1964, 1966, 1972, Погосова, Чаплыгин, 1983, Коропачинский, 1987, Лоскутов, 1998, 2005, Плешиков, Евдокименко, Лоскутов, 2001, Артемьев, 2004, Романова, 2005, Павлов, 2006] Однако основной состав древесных растений в озеленении города в настоящее время представлен ограниченным числом видов тополь бальзамический составляет 42, яблоня сибирская - 11, вязы (мелколистный, приземистый, перистоветвистый) — 8, лиственница сибирская -11, береза повислая — 8, клен ясенелистный — 6, ели сибирская и европейская — 5, липа мелколистная - 5 и прочие виды - 4 %

Лидером в древесных посадках на территории города Красноярска является тополь В настоящее время возраст посадок тополя бальзамического составляет 50 - 60 лет, при этом около 60 % деревьев прошли омолаживающую обрезку, необходимую для данного вида в этом возрасте, особенно — в условиях городской среды Тополь является незаменимой породой для создания насаждений специального назначения, так как имеет ряд положительных качеств, таких, как быстрый рост, подверженность формовке, устойчивость к загрязнению воздуха Но при этом он проявляет и значительные недостатки [Иванников, 1980, Плешиков, Евдокименко, Лоскутов, 2001] сравнительно недолговечен, после 40 50 лет - недекоративен, в период созревания семена деревьев женских особей загрязняют воздух, часто страдает цитоспорозом, поражается тополевой молью, повреждается ветром Поэтому тополь не должен занимать ведущее место в

ассортименте пород для озеленения городов, особенно в насаждениях общего пользования

Таким образом, ретроспективный анализ развития и современного состояния озеленения Красноярска показал, что зеленые насаждения города представляют собой не систему озеленения, а лишь совокупность парковых, линейных, дворовых, санитарно-защитных территорий, не обеспечивающих формирование благоприятной экологической обстановки в различных градостроительных зонах города

Глава III.

Экологические факторы городской среды

Специфика микроклиматических условий урбанизированных ландшафтов

На основании анализа физико-гигиенических параметров территорий (по метеоданным мтс Красноярск-город) проведена биоклиматическая оценка и определен баланс погодных условий городской среды Красноярска Установлено, что комфортные условия составляют I месяц и 1 неделю в году, благоприятные (теплые и прохладные) — около 3-х месяцев В остальной период (65 % времени года) создаются дискомфортные климатические условия, что диктует необходимость проведения работ с целью повышения качества среды, в том числе за счет рациональной организации системы озеленения в городских и пригородных пространствах

Динамика техногенных воздействий

Современное экологическое состояние среды Красноярска сформировалось в течение длительного периода нарастания промышленного потенциала до 199192 г и последующего периода спада производства, что отражается на составе и уровне загрязнения атмосферы города Максимальный индекс загрязнения атмосферы города Красноярска (ИЗА5) по пяти приоритетным примесям (взвешенные вещества, формальдегид, бенз(а)пирен, диоксид азота, сероуглерод) и большим количествам дополнительных загрязняющих веществ 1 - 2 классов опасности, зафиксирован в 1991 году и был равен 69 В 2002 году ИЗА5, по сравнению с максимальным значением, в 6,5 раз ниже и составил 10,8, но характеризуется как «очень высокий» При этом город расположен в местности с высоким метеорологическим потенциалом загрязнения атмосферы в среднем фиксируется до 70 дней с метеоусловиями, способствующими накоплению загрязняющих веществ в атмосфере [Государственные доклады «О состоянии окружающей природной среды Красноярского края», 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003]

Данные о качестве воздушной среды рассматриваются согласно СН 369-74 с точки зрения влияния ее на человека Однако даже при соблюдении норм древесные растения вокруг промышленных предприятий деградируют и гибнут [Николаевский, 1978, 1989, 2002, Павлов, 2006] Установлено, что уровень опасности и качественный состав загрязнителей для населения и растений значительно различаются [Чернышенко, 1999, Николаевский, 2002, Николаевский, Якубов, 2002, Якубов, 2005] При этом трехкратное превышение нормативно допустимого загрязнения воздушной среды для зеленых насаждений вызывает снижение фотосинтеза, пятикратное — нарушение морфогенеза и

продуктивности растений, десятикратное - гибель чувствительных видов древесных пород (хвойные) и деградацию насаждений [Николаевский, Якубов, 2002] В целом по городу среднегодовые значения общего индекса загрязнения атмосферы для растительности на 2003 год превышают 10 ПДК, что говорит о сложной техногенной ситуации для роста и развития древесных растений

В настоящее время актуальным является вопрос о степени воздействия автотранспорта на примагистральные пространства Дорожно-транспортная система воздействует на значительные территории, является экологической опасностью, которую хотя и нельзя устранить, но зато можно уменьшить В связи с этим принятие решений в данном направлении должно основываться на определении риска дорожно-транспортных воздействий на все живые организмы Нами проведен анализ ландшафтных, технических, планировочных характеристик и выполнена оценка риска загрязнения придорожных пространств семи улиц и магистралей (на примере 10 дорожно-транспортных участков) города Красноярска [Оценка , 2002, Званцев и др 2002, Лобанов, 2004] Ландшафтный анализ улиц и магистралей города показал, что сочетания климатических и градостроительных условий города Красноярска как усиливают, так и ослабляют техногенные нагрузки на природные компоненты среды Результаты анализа риска загрязнения атмосферного воздуха и почвы в примагистральном пространстве улиц показал, что на всех объектах прослеживается превышение концентраций вредных веществ от 1 до 14 ПДК для растений

На основании полученных результатов выделено четыре уровня воздействия дорожно-транспортной системы на зеленые насаждения, произрастающие в примагистральных пространствах города - от критического до удовлетворительного Составлена схема зонирования улиц города, определены площадь и удельный вес озелененных территорий, находящихся под активным воздействием выбросов автотранспорта (табл 2)

Таблица 2 - Степень техногенного воздействия на зеленые насаждения города

Степень техногенного воздействия на состояние зеленых насаждений Протяженность основных улиц с различным уровнем техногенной нагрузки, км Озелененные территории, находящиеся под активным воздействием выбросов автотранспорта

Площадь, га Удельный вес, %

Критическое 24 120 6

Конфликтное 46 230 11

Напряженное 193 965 48

Удовлетворительное 142 710 35

Интегральная оценка состояния среды

Средние показатели экологического состояния территории по экологическому районированию (схема, составленная ГосНИЦ «Природа», с учетом ландшафтных и техногенных особенностей города Красноярска за 1992 год, уровень загрязнения которого является экстремальным), приняты нами за экологический фон среды города Однако на микротерриториальном уровне складываются локальные ситуации, отличающиеся от фонового состояния среды в результате дополнительного образования или рассеивания загрязняющих веществ Поэтому при проектировании объектов озеленения и выборе технологии

по уходу за насаждениями необходимо учитывать изменения фитоэкологических условий их произрастания на локальном уровне

Нами разработана методика интегральной оценки изменения состояния фитосреды на локальном уровне и обоснован термин «тип градорастительных условий» Локальные условия оцениваются параметрами факторов, отрицательно влияющих на рост древесных растений, с учетом интенсивности их проявления Данный показатель - относительно-количественный, который позволяет объективно оценить напряженность экологического состояния данной территории в единой системе балльной оценки (в соответствии с методикой экологического районирования города) По шкале плотности негативных факторов (табл 3) определяются типы градорастительных условий Тип градорастительных условий -это участки с однородньм природным ресурсным потенциалом и определенной плотностью ландшафтно-, урбо-, син- и аутэкологических характеристик, требующие равнозначных экономических вложений и технологических уходов В результате исследований на территории города установлено 4 типа градорастительных условий I - удовлетворительный, II - напряженный, III -конфликтный и IV - критический

Таблица 3 - Шкала плотности негативных факторов градорастительных условий

факторы состояния городской среды плотность факторов, баллы статус экологического состояния

Фоновое состояние окружающей среды г Красноярска 0-15 удовлетворительное 16-25 напряженное 25-35 конфликтное 35-60 критическое

Ландшафтные 2-11

Урбоэкологические 3-38

Синэкологические 2-12

Итого 3-30 31 -60 61 -91 92-122

тип градорастительных условий I II III IV

Оценка плотности негативных факторов положена в основу классификации состояния насаждений для проведения дальнейших исследований

ГЛАВА IV

Реакции древесных растений на техногенные воздействия городской среды Видовые особенности роста древесных растений

Классификация насаждений Эффективность городских объектов озеленения зависит от выбора структуры и видового состава зеленых насаждений, адекватных типу градорастительных условий Поэтому достоверная и надежная классификация городских насаждений и изучение показателей роста и продуктивности древесных видов имеют важное значение для принятия проектных и эксплуатационных решений

Исходными данными для группировки насаждений по реакциям древесных растений на условия произрастания послужили две группы параметров качественные и количественные Первая группа параметров - это возрастные и линейные характеристики деревьев высота, диаметр ствола на высоте 1,3 м, диаметр кроны Вторая группа — характеристики условий произрастания

насаждений, которые определялись в соответствии с разработанной нами методикой оценки среды на локальном уровне (в баллах) Для решения данной задачи был использован кластерный анализ Анализ результатов классификации показал, что древесные виды по-разному реагируют на техногенные нагрузки среды и структурные особенности насаждений

Лиственница сибирская По сходству влияния условий городской среды на биометрические параметры деревьев лиственничные насаждения разделились на четыре группы - I, И, III, IV кластеры, в соответствии с установленным количеством типов градорастительных условий В кластерах I и III выделяются подгруппы, в которых насаждения разделились в соответствии с пространственной структурой В кластерах II и IV различия не проявились, вероятно, из-за недостаточного объема этих объектов

Береза повислая До 25-летнего возраста градорастительные условия не оказывают существенного влияния на ее морфологическое развитие В дальнейшем береза в большей степени реагирует на изменения в пространственной структуре насаждений, чем на внешние факторы среды (рис 1)

ао 1 з

1 о

о

Реакция деревьев ели сибирской увеличивается с возрастанием техногенных нагрузок Насаждения достоверно разделились на две группы в первую вошли насаждения, произрастающие в I и II типах градорастительных условий, во вторую — в III и IV В насаждениях первой группы прослеживаются различия, в зависимости от пространственной структуры, начиная с 25-летнего возраста В насаждениях второй группы высокая плотность техногенных нагрузок более существенно влияет на показатели роста ели, чем пространственные характеристики насаждений

Липа мелколистная Исходные данные позволяют построить только один ряд роста липы, произрастающей во II типе градорастительных условий при групповом размещении деревьев в насаждениях

Построение рядов хода роста насаждений

Ряд роста деревьев включает совокупность однородных насаждений, достигающих одинаковой средней высоты в определенные возрасты и характеризующихся общностью развития по другим биометрическим параметрам Рост по высоте В основу построения рядов роста по высоте положены результаты

1 2 1 2 12 111 II I

I, II, III - номера кластеров, 1, 2, 3,4 - номера подгрупп Рисунок 1 - Схема объединения насаждений березы повислой

кластерного анализа, которые показали достоверные различия по сходству влияния экологических условий среды на состояние растений Анализ рядов хода роста по высоте древесных растений показал

■ рост исследуемых видов в возрастной динамике в условиях урбанизированной среды достоверно описывается уравнением Мичерлиха (коэф детерминации для всех зависимостей изменяется от 0,93 до 0,99, стандартная ошибка - 0,7 0,94),

■ лиственница сибирская по различию в темпах роста по высоте выделено четыре класса, что соответствует количеству типов градорастительных условий в г Красноярске При увеличении плотности комплекса негативных факторов наблюдается снижение высоты насаждений, достигающее к 45-летнему возрасту во II классе роста 19, III - 34, IV - 43% по сравнению с I классом (рис 2) У деревьев, произрастающих в одном типе градорастительных условий, но имеющих разную пространственную структуру, различия по высоте в градорастительных условиях I типа начинают проявляться с 35-летнего возраста, в III типе - не проявляются, что свидетельствует о значительном влиянии техногенных воздействий и несоответствии им структуры насаждений,

■ береза повислая в большей степени реагирует на изменения в пространственной структуре насаждений, что проявляется в их объединении в два класса по интенсивности роста по высоте В первый класс объединились насаждения с групповым типом посадки, во второй - со свободным Разница между ними по высоте к 45 годам достигает двух метров (рис 3) В каждом классе выделяется по два подкласса, в зависимости от типа градорастительных условий, при этом в каждом подклассе объединились насаждения, произрастающие в I и II или в III и IV типах градорастительных условий

■ ель сибирская при увеличении плотности комплекса негативных факторов в условиях среды наблюдается снижение высоты насаждений, достигающее к 45-летнему возрасту во II классе роста 22 % по сравнению с I классом роста деревьев, пространственная структура в меньшей степени сказывается в различиях роста по высоте, которые начинают проявляться с 30-летнего возраста и к 45 годам достигают 0,9 м, или 10%

■ для липы мелколистной построен только один ряд роста для II типа градорастительных условий при групповом размещении деревьев в насаждениях

Проведен сравнительный анализ роста деревьев по высоте, результаты которого показали, что

• характер роста в высоту определяется совокупным влиянием природных и антропогенных факторов, следовательно, класс роста по высоте является наилучшим индикатором данного влияния,

• наибольшая амплитуда изменения значений по высоте наблюдается у лиственницы сибирской, разброс значений составляет до 10 м в зависимости от уровня техногенного воздействия, что говорит о ее значительной чувствительности к стрессовым нагрузкам и возможности использования данного вида в качестве дендроиндикатора,

• данные по возрастной динамике высот насаждений в городских условиях Новосибирска, Новокузнецка, Санкт-Петербурга, Воронежа согласуются с результатами исследований в г Красноярске

* для условий г. Красноярска наблюдаются отставания роста по высоте до 25% лиственницы и липы по сравнению с Европейской частью России и Украины; для березы и ели различия практически не выявлены.

Анализ роста древесных растений по высоте в динамике. В биометрических параметрах деревьев фиксируется их реакция на факторы среды обитания, тем самым морфология дерева отражает ретроспективную информацию [Усозтьпев, 1995]. Достоверность построенных рядов роста по высоте подтверждается экспериментальными данными изменения биометрических параметров лиственницы сибирской (рис. 2) и березы повислой (рис. 3), полученными в одних и тех же насаждениях с разницей в 10 лет. Отрезки изменения высоты насаждении с 1993 по 2003 гг., наложенные на ряды роста (2003 год), показали, что используемый метод, ориентированный на выявление реакций древесных растений па условия произрастания, является адекватным для построения моделей роста насаждений в условиях урбосреды.

Рисунок 3 - Рост березы повислой по высоте

4 иенэдные данные

--о-1993 - 2003 гг.

—-. 1993 - 2003 гг.

-в-1993 - 2003 гт.

О

О 5 10

--ГрупгЮвОИ ТИП ПОСЭДЧИ

-° — 199Э - 2003 гг.

-■--19S3 - 2003 гт.

- — 1993 - 2003 гг.

-— 1 >" > - / ■ тт.

11 — ™ С h#$<i№' ы й

----1993 - 2003 гг.

-- -1993.2003 гг.

--а-1993 - 2003 гг.

I, И, III, IV —типы градорасгительных услоиий,-1.

Рисунок 2 - Рост лиственницы сибирской по высоте 16 14

Рост по диаметру ствола Анализ результатов исследований показывает, что существенных различий по диаметру ствола деревьев, произрастающих в одинаковых экологических условиях, но в разных типах посадки, до 15-летнего возраста не проявляется, с увеличением возраста наблюдается влияние техногенных условий на ход роста деревьев по диаметру Максимальных диаметров ствола на высоте 1,3 м достигают свободно растущие деревья, произрастающие в I типе градорастительных условий, при увеличении техногенных нагрузок наблюдается снижение толщины стволов К 45 годам оно составляет для лиственницы — 35, березы — 27, ели — 23%, липы (в 25 лет) — 19%, при увеличении плотности посадок разница средних диаметров ствола достигает для лиственницы 43, березы— 11, ели - 5% по сравнению с I типом Таким образом, плотность является объективным показателем качества пространственной структуры насаждений

Рост ствола по объему является интегрированным показателем, в котором в большей степени проявляются реакции древесных растений на градорастительные условия для насаждений лиственницы в зависимости от уровня техногенных нагрузок снижение объемов стволов достигает 87, березы — 42, ели — 64% по сравнению с деревьями, произрастающими в I типе градорастительных условий Полученные зависимости объемов стволов деревьев во временном аспекте позволяют определить потенциальный запас насаждений

Результаты исследования динамики потенциального запаса и запаса по наличным деревьям насаждений, произрастающих в условиях с различным сочетанием техногенных нагрузок и пространственной структуры, подтверждают, что плотность посадок является объективным показателем при организации пространственной структуры городских насаждений

Биопродуктивность городских насаждений

Для оценки роли зеленых насаждений и доли их участия в повышении качества урбанизированной среды необходимо оценить биологическую продуктивность

Морфометрические показатели биопродуктивности насаждений Установлено, что реакции растений на стрессовые воздействия городской среды проявляются в изменении габитуса деревьев формы, размеров, насыщенности крон Для пространственной характеристики распределения фитомассы нами предложен показатель экологического заполнения пространства кроны — степень фитонасыщенности крон Анализ динамики фитонасыщенности крон исследуемых видов древесной растительности выявил различия в темпах достижения кульминации по величине фитозаполнения крон в насаждениях города Хвойные растения сильнее реагируют снижением фитонасыщенности крон при увеличении техногенных нагрузок Диапазон заполнения крон лиственницы в период кульминации в I типе градорастительных условий составляет от 0,84 при минимальных техногенных нагрузках до 0,48 при максимальных, ели — 0,83 0,61, для березы он колеблется от 0,9 до 0,86, у липы степень фитонасыщенности крон - 0,73 Таким образом, ответная реакция лиственницы сибирской степенью фитонасыщенности кроны наиболее показательно

характеризует воздействие урбосреды и адекватно отражает уровень ее экологического риска

В течение жизненного цикла происходят динамичные структурные и физиологические возрастные изменения Однако, в различных условиях среды генетическая программа может реализовываться разными путями, давая различные модификации развития Интенсивность и характер процессов роста обусловливают степень толерантности вида на воздействие техногенных стрессоров Анализ динамики фитонасыщенности крон лиственницы сибирской показывает, что наибольшие значения фитонасыщенности прослеживаются при низких уровнях техногенных нагрузок, а в градорастительиых условиях IV типа фитонасыщенность крон снижается с момента высадки деревьев в городские посадки. Максимальные значения степени фитонасыщенности, возраста и коэффициентов потерь представлены в таблице 4

Таблица 4 - Параметры соответствия степени фитонасыщенности крон лиственницы сибирской техногенным условиям__

Условия произрастания насаждений Степень фитонасыщенности крон

Тип градо- Тип пространст- Воз- Степень толерантности *

растительньгх венной раст, Мах Коэф Характер

условий структуры лет потерь, % реакции процесса, tg а

I Все типы 30 0,873 — 0,0131

II 29 0,784 11 0,010

III 27 0,616 28 0,0045

IV 10 0,48 40 -0,0027

♦Степень толерантности вида на изменение техногенных условий характеризуют тангенс угла наклона кривой (tg а)в период роста до достижения максимальных значений фитонасыщенности и коэффициент потерь (%) относительно максимального значения степени фитонасышенности кроны

Для градорастительиых условий I - III типов графики изменения фитонасыщенности являются одновершинными, отражая стадии развития дерева Величина тангенса угла наклона кривой характеризует интенсивность (реактивность) степени толерантности вида Для деревьев, произрастающих в градорастительиых условиях I типа, она в 2,9 выше показателя для деревьев, произрастающих в градорастительиых условиях III типа Отрицательное значение тангенса угла наклона кривой говорит о постоянном снижении степени фитонасыщенности деревьев в градорастительиых условиях IV типа от момента их высадки в насаждения города Это свидетельствует о том, что растения находятся под воздействием постоянного фитостресса в состоянии истощения Таким образом, для диагностики экологического состояния и степени устойчивости вида визуально наблюдаемым, информативным и чувствительным к уровню техногенных нагрузок, признаком-маркером может выступать степень фитонасыщенности крон

Для оценки состояния древесных растений нами предлагаются аналитические методы фрактальной геометрии, математическая концепция которой позволяет описывать структуру, формообразование, функционирование и эстетическое восприятие биологических систем Фрактальная размерность

кластера является количественной характеристикой заполнения фитомассой пространства объема кроны дерева Используя программу «Фрактальный анализ», нами рассчитана фрактальная размерность и динамика фитонасыщенности крон лиственницы сибирской, произрастающей в различных техногенных условиях Результаты, полученные методами фрактальной геометрии, согласуются с результатами ранее проведенных исследований степени фитонасыщенности крон Таким образом, дробная размерность массы адекватно отражает структуру и динамику процессов в живых системах, а методы фрактальной геометрии и их критерии могут быть использованы в мониторинге зеленых насаждений.

Одной из важнейших характеристик структурной организации биологических систем ц узловым компонентом в различных явлениях и процессах роста и развития растений является площадь поверхности растений В ходе анализа индекса листовой поверхности для исследуемых насаждений установлено, что у лиственницы сибирской значительнее, чем у других видов, данный показатель реагирует на изменения среды так, в насаждениях, произрастающих на фоне максимального техногенного загрязнения, индекс листовой поверхности к 45 годам уменьшается в семь раз (составляет 14% от максимальных значений)

Количественные значения запаса фитомассы и годичной продукции могут быть аппроксимированы аллометрической зависимостью (в качестве

независимого аргумента принято произведение Sh) lgK = lga + 6 lg(d2h), где Y - показатели продуктивности (запас фитомассы, т/га, общая первичная продукция, т/га в год), а, в — коэффициенты уравнений, d — диаметр ствола, см, h — высота дерева, м (Уткин, 1984, Усольцев, 2005) Полученные данные для исследуемых видов достаточно быстро и надежно позволят определять показатели фитомассы в различных условиях воздействия урбосреды

Качественные параметры определяют фракционный состав фитомассы дерева и насаждения ствол, скелет кроны (сучья, ветви) составляют древесную составляющую, хвоя (листва) является ассимилирующей массой

Результаты анализа фракционного состава показывают, что прослеживается тенденция к снижению веса общей фитомассы кроны в зависимости от увеличения степени техногенных нагрузок, воздействующих на насаждения Максимальное количество фитомассы крон наблюдается у свободно растущих деревьев, произрастающих на фоне минимальных техногенных нагрузок, снижение веса фракций кроны с увеличением нагрузок достигает 59 % С увеличением плотности насаждений снижение составляет до 10% В условиях повышенного техногенного загрязнения сложившаяся плотность посадок на количество и фракционный состав фитомассы влияния не оказывает

Экологическая эффективность функционирования городских объектов озеленения

Выполнение древесной растительностью полезных свойств в значительной степени зависит от уровня воздействия техногенных нагрузок и пространственной структуры насаждений На основании расчетов выполнения полезных функций составлены ряды видов древесных растений по степени уменьшения их вклада в оздоровление городской среды в зависимости от воздействия на них техногенных

нагрузок I - II типы градорастительных условий Лиственница сибирская > Береза повислая > Липа мелколистная > Ель сибирская, III - IV типы Береза повислая > Лиственница сибирская > Ель сибирская В соответствии с положениями о формировании либо группового типа посадки, либо развития дерева как солитера нами определены расстояния и рекомендована плотность побадок в группах и радиусы сфер эстетического и биологического развития солитера, соответствующие градорастительным условиям (табл 5) Таблица 5 - Рекомендуемые структурные параметры насаждений

Лиственница сибирская

Тип градорастительных условий / Тип пространственной структуры насаждения

I II III IV

Свободны Группово Свободны Группово Свободны Группово Свободны Группово

й й й й й й й й

расстояния между деревьями в группах

- 6,0 - 6,5 - 5,1-5,8 - 4,8-5,1 - 4,2-4,4

радиусы развития солитера

18,0-20,0 — 13,0-15,0 — 10,0-12,0 — 8,0-10,0 —

плотность посадок шт /га

270-240 - 300-340 480-430 - 510-580

Ель сибирская Береза повислая

Свободный Групповой Свободный Групповой

1 — II III-IV I — II III-IV I — II III - IV I — II III - IV

расстояния между деревьями в группах

- 4,6 - 4,4 4,0-3,8 — - 5,2-4,9 4,9 - 4,6

Рекомендуемые радиусы развития солитера

10,0- 8,0-10,0 — — 13,0 — 10,0- — —

12,0 15,0 12,0

плотность посадок шт /га

- 560-490 630-710 - - 370-420 460-410

Сочетание полученных данных позволило определить резерв повышения оздоровления среды города за счет создания насаждений (по ассортименту и структуре) адекватных условиям среды На примере эффективности кислородопродуцирующей функции рассмотрена динамика процесса выделения кислорода насаждениями лиственницы сибирской с различной пространственной структурой с реальными пространственными параметрами и насаждениями с рекомендуемой плотностью, произрастающие в I и III типах градорастительных условий Характер кривых свидетельствует о том, что прослеживается тенденция увеличения количественных показателей экологических функций насаждениями на 25 - 47%, пространственная структура которых адекватна условиям среды, что составляет значительный резерв повышения комфортности сибирских городов

Глава V.

Дендроиндикация экологического состояния и оценка качества объектов озеленения

Специфика онтогенеза лиственницы сибирской в условиях городской среды

Анализ ответных реакций исследуемых видов древесных растений на воздействия техногенных нагрузок показал, что для урбосреды Красноярска

дендроиндикатором-монитором (накопителем токсикантов с интенсивными проявлениями неспецифических реакций), удовлетворяющий требованиям, предъявляемым при отборе древесных индикаторов, может выступать лиственница сибирская

Пространственно-временная ритмичность природных явлений и процессов отражает гармоничность изменения среды Возрастное состояние характеризуется наличием ряда индикаторных морфологических и биологических признаков, определяющих их календарный возраст (Уранов, Григорьева, 1975, Ценопопуляции , 1976, Диагнозы , 1989) Основные критерии выделения возрастных периодов для древесных растений непосредственно связаны с особенностями роста ствола и формирования кроны (Дитрих, 1971, Поляков, 1977,Чистякова и др, 1979, 1989, Работнов, 1983, Шевелев и др , 2004, Кузнецов, Дмитриева, 2005). Под воздействием техногенных нагрузок в урбосреде происходят значительные изменения габитуса растений, не свойственные им в данном возрасте Следовательно, в городской среде экологическую оценку воздействия на состояние растений логичнее связывать с соотношением календарного возраста и фазы онтогенетического развития, те с его биологическим состоянием

По результатам исследования изменения внешних признаков лиственницы сибирской в условиях урбосреды можно выделить следующие закономерности изменения онтогенеза деревьев в городе

• поливариантность темпов развития и прохождения возрастных состояний лиственницы сибирской в условиях урбосреды - за одинаковый календарный период (50 лет) деревья проходят от двух до пяти фаз возрастного развития,

• влияние градорастительных условий сказывается на изменениях в ходе онтогенеза, стадии фитостресса и стратегии устойчивости развития дерева,

• более полное соответствие условий городской среды и параметров экологических ниш для лиственницы сибирской формируется в 1-ом типе градорастительных условий - растения переносят стрессовые нагрузки без существенных изменений и находятся в начальной стадии фитостресса, наиболее экстремальные ситуации наблюдаются в IY-ом типе условий - растения при длительном действии стрессовых факторов переходят в фазу истощения, что проявляется в потере устойчивости и преждевременной гибели растений,

• увеличение уровней техногенных нагрузок ускоряет процессы старения деревьев, уменьшает продолжительность периодов возрастных состояний от 1,2 до 8 раз (рис 4)

Предложенная методика анализа соотношения диапазонов значений календарного возраста и возрастных состояний в различных градорастительных условиях может использоваться для прогноза продолжительности жизни древесных растений в городских насаждениях По динамике ответных реакций биометрических параметров лиственницы сибирской можно оценить экологическое состояние и уровень деградации городской среды, а также пределы устойчивости растений к техногенному загрязнению

1 10

v, gl, g2, g3, s - фазы возрастных состояний N — естественные условия в

лесах Красноярского края,

',11, m.IV- типы

градорастител ьвьге условий

I Hfl ьг vt-fwo« И Mt: тс п рО И J рлс ТЙММД Eííi О »

Рисунок 4 - Схемы прохождения фаз онтогенеза и их диапазоны календарного возраста для лиственницы сибирской, произрастающей в различных условиях

Эстетическая оценка древесных растений

Анализ существующих методик определения эстетичности древесных растений в городской среде показал, что они основаны tía визуальной оценке декоративности, критер}ими которой являются глаз о мерно определяемые отклонения в развитии ствола и кроны растений от их видовой формы. В основу оценки состояния зеленых насаждений в городах должны быть положены объективные количественные показатели эстетических характеристик древесной растительности.

Оценить существующую гармонию объекта и прогнозировать его состояние в возрастной динамике (пространственную структуру, композицию насаждений, пейзажное разнообразие) возможно, оценив изменение развитая его отдельных элементов (древесных растений) в конкретных градор а сти тельных условиях. Нами проведены исследования закономерностей организации биологического пространства древесных растений и их связи с окружающей средой. Структура дерева состоит из трех блоков; освещенной и затененной частей кроны и части дерева без кроны Структура может быть охарактеризована соотношением частей: сечением и вурфом. При этом инвариантами эстетических пропорций структуры выступают их «золотые» значения. Исследования пропорций вертикальной структуры дерева лиственницы сибирской, произрастающей в различных градорастительных условиях, позволяю']1 судить о состоянии, уровне развития и гармоничности дерева как системы в целом. Соответствие реальных структур «золотым» пропорциям изменяется в зависимости от воздействия внешней среды:

■ прослеживаемся тенденция наибольшего приближения к «золотым» пропорциям у растений в возрасте от 25 до 35 лет, что соответствует максимальной степени фитонасыщенности крон растений и отражает принцип оптимальности, который прослеживается в пространственно-временном соответствии структурных и функциональных характеристик;

■ проявляется накопительный эффект от воздействия техногенных факторов городской среды, что к 45-летнему возрасту отразилось на внешнем облике деревьев; отклонения размеров от эстетических пропорций составляют: от «золотого» сечения для кроны в целом - 25%, освещенной и затененной частей — 80%, и для формы дерева в целом от «золотого» вурфа— 30%,

Дендроиндикация экологической комфортности городских территорий

На основании результатов проведенных исследований составлена шкала

соответствия показателей индивидуального развития лиственницы сибирской уровню экологической комфортности для проживания населения городов, который соответствует типу градорастительных условий (табл. 6). Таким образом, степень соответствия основных параметров инвариантам устойчивости («золотые» пропорции, ритм, симметрия, фракталы ¡ость) может служить характеристикой их индивидуального роста и уровня зз/рязнения городской среды. При этом оценка эстетического и экологического состояния древесных растений на основе аналитических методов повышает достоверность результатов. Таблица 6- Шкала соответствия критериев индивидуального развития древесных растений уровню экологической комфортности территорий

! Слеш взаимосвязи между ворсмавнеч Шкала огклончния папами нов. псюятнты рм/осхой ыфгст, лет Уровень »колот четком

гснюгеяных факторов среды высота дерева. Дммлр отвода, Фитск Дидкгтр кроим. Золсггие пропорции комфортности для

отмишш реакция™ дргащгшв V л % ИЗ]) • % населения ка уроянишроюн

щ 20 14> 20 Л} 20 20 45 20 и м 45 И1>И территории

: 1Д 11£ ш ЗУ 0.7} щ ш ш. 137 Елань

Стабильное органщиа у, 1 — ~ - СМ 1, пр/тныП

Ш 10.7 22 (.7 '1,1 1К ш V ш 6.' Ш 2.53 ' 4.7 Удовлетворительный

Обратимые у * . 'Г ш 1« и

¿Л Ш У ; 15.5 Ш ¿у М,8 й^ 2.6 и 5.95 к» 14 115 22,1 1.41 1)4 ш 111 1№у.т1етзо-рнтедьный

йй ¡М. 34.6 : 35.3 Ш 31 ы и 74.(, 1.14 13.3 Крайне неблагоприятный

¿Г^/необрэтимые № Ш 54,(1 дь 6.5 ы Ж,*

У' Заасзе

1

| Уровень ттогическоА конфартпосги тсгота'Р"" !Шкала отклонения царцмпрш.мгдгпщммм еаотххпй

^__[>.1Э1шр1[?т|ыГ[__I __их 0 да ___

■__ШИЯК^т_ : _ д? _

Оценка уровня качества городских объектов озеленения Объектами оценки уровня качества являются городские зеленые насаждения, различные по структуре и функциональному назначению. На данном этапе работы нами разработаны следующие вопросы:

1. «Дерево свойств» объектов озеленения. Оно содержит достаточно полную номенклатуру показателей и включает в себя пять уровней. На нулевом уровне указано комплексное свойство — качество объекта, на четвертом уровне — единичные показатели качества (свыше 80). На промежуточных уровнях представлены комплексные показатели качества объектов: функциональные, эксплуатационные, урбозкологнческве, социальные, экономические, показатели назначения и структуры объекта, стабильности насаждений и их элементов, технологические, эргономики и безопасности, средорегулирующие, средозащитные, эстетические.

2.0 б основаны методики определения параметров (коэффициентов) весомости единичных показателей и оценки уровня качества объекта озеленения,

\

Апробация предлагаемой методики проведена на примере оценки уровня качества скверов в г Красноярске В качестве базовых показателей были использованы нормативные требования и показатели проекта реконструкции сквера За аналог принят сквер с подобными функциональными и структурно-планировочными характеристиками Анализ результатов выявил, во-первых, что уровень качества оцениваемого объекта в целом существенно ниже уровня проектного решения, а по некоторым параметрам - и аналога, во-вторых, были определены показатели наибольшего отставания, что позволяет проводить целенаправленную работу при реконструкции данного объекта Таким образом, разработанная методика на основе методов квалиметрии позволяет оценить уровень качества объектов озеленения, повышает достоверность результатов, сокращает сроки и стоимость проведения этих видов работ

Основные выводы

1 Дендроклиматические ресурсы и ландшафтная основа района исследований обладают достаточным экологическим потенциалом для развития устойчивой природно-техногенной системы Результаты моделирования соответствия ресурсов среды и параметров экологических ниш древесных растений обеспечивают выбор ассортимента видов для создания устойчивых городских насаждений

2 Основными негативными факторами, снижающими функционально-экологическую эффективность городских насаждений, являются несоответствие сложившейся ландшафтно-экологической обстановки города градостроительным нормативам озеленения, увеличение плотности застройки и соответственно снижение доли свободных территорий для целей зеленого строительства, автономность объектов и их оторванность от зеленой зоны, отсутствие непрерывных зеленых коридоров вдоль линейных ландшафтных и инженерно-транспортных осей, несоответствие видового состава и структуры насаждений функциональной категории объекта озеленения (загущенность, разреженность, однорядность и одноярусность, монокультурность и т п ), создание их без учета требований благоустройства и технологических уходов

3* Экологическое состояние городской среды формируется в результате вторичного взаимодействия промышленных и транспортных выбросов, при этом происходит их перераспределение, доля последних неуклонно растет Концентрация загрязняющих веществ в значительной степени изменяется на локальном уровне и зависит от ландшафтных, техногенных, градостроительных и погодных условий Указанные отличия должны учитываться в мониторинге и при проектировании городских зеленых насаждений

4 Разработана методика оценки фитоэкологических условий, учитывающая техногенный фон города, ландшафтные и урбоэкологические признаки территорий, син- и аутэкологические характеристики насаждений Обоснован термин «тип градорастительных условий» В соответствии со шкалой плотности негативных факторов городской среды, влияющих на рост зеленых насаждений, на территории города выделено 4 типа градорастительных условий I -удовлетворительный, II - напряженный, III - конфликтный и IV - критический

5 Реакции древесных растений на стрессовые воздействия городской среды

имеют видовые особенности, что проявляется в изменении их габитуса (формы, размеров, фитонасыщенности крон) Наибольшая амплитуда значений наблюдается у лиственницы, разброс значений по высоте в зависимости от уровня техногенного воздействия достигает 10 м, что свидетельствует о повышенной чувствительности ее к стрессовым нагрузкам и о возможности использования данного вида в качестве дендроиндикатора

6. Градорастительные условия оказывают значительное воздействие на рост и развитие лиственницы сибирской, что отражается в изменениях хода онтогенеза, стадии фитостресса и стратегии устойчивости развития дерева. Динамика ответных реакций лиственницы сибирской изменением биометрических параметров позволяет оценить экологическое состояние и уровень деградации городской среды Увеличение техногенных нагрузок ускоряет процессы старения деревьев, уменьшает продолжительность периодов возрастных состояний до 8 раз

7 Среди изученных видов древесных растений лиственница сибирская обладает наибольшей чувствительностью, отражающей стрессовые воздействия городской среды, является эффективным видом-индикатором Класс роста и степень заполнения крон фитомассой выступают основными признаками-маркерами уровня экологического риска территорий Фрактальная размерность массы адекватно отражает структуру и динамику степени фитонасыщенности крон древесных растений Данное положение рекомендуется использовать с одной стороны в мониторинге городских зеленых насаждений, с другой - для индикации экологического состояния городской среды крупных промышленных центров Сибири

8 При организации пространственной структуры городских насаждений плотность посадок является базовым параметром Наряду с техногенными воздействиями она существенно влияет на биометрические параметры деревьев, продукционные процессы и выполнение насаждениями экологических функций Организация пространственной структуры, адекватной градорастительным условиям, обеспечивает повышение функциональной эффективности городских насаждений на 25 - 50%, что составляет значительный резерв повышения комфортности сибирских городов

9 Оценка эстетического и экологического состояния древесных растений на основе аналитических методов (золотые пропорции, ритм, симметрия, фрактальность) повышает достоверность результатов При этом соответствие основных параметров инвариантам устойчивости зеленых насаждений служит характеристикой их индивидуального роста и отражает степень экологического риска территорий Так, отклонения до 5 % соответствуют благоприятному уровню экологической комфортности для проживания населения в городской среде, от 5 до 20 % - удовлетворительному, от 20 до 30 % - неудовлетворительному, более 30 % - крайне неблагоприятному

10 Предлагаемая методика оценки уровня качества зеленых насаждений позволяет определять параметры (коэффициенты) весомости единичных показателей и выполнять ее методами квалиметрии (без использования экспертных методов), что повышает достоверность результатов, сокращает сроки

и стоимость проведения этих видов работ

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1 Авдеева, Е В Зеленые насаждения городов Сибири [Текст] /ЕВ Авдеева -Красноярск- СибГТУ, 2000 - 150 с

2 Авдеева, Е В Ландшафтно-экологическая среда сибирских городов [Текст] / Е В Авдеева - Красноярск СибГТУ, 2006 - 124 с

3 Авдеева, Е В Ландшафтное проектирование Электронный тематический словарь [Текст] /ЕВ Авдеева - Красноярск СибГТУ, 2006 - 128 с

4 Авдеева, Е В Основы градостроительства Часть I Планировка и застройка населенных мест [Текст] /ЕВ Авдеева Красноярск СибГТУ, 2006 - 276 с

5 Авдеева, Е В Основы градостроительства Часть II [Текст] /ЕВ Авдеева Красноярск СибГТУ, 2006 - 116 с

6 Авдеева, Е В Рост и индикаторная роль зеленых насаждений в урбанизированной среде [Текст] / Е В Авдеева Красноярск СибГТУ, 2007 - 382 с

7 Авдеева, Е В Влияние городской среды на состояние природных лесов [Текст] /ЕВ Авдеева, В В Кузьмичев//Экология - 1997 -№4 - С 248-252

8 Авдеева, Е В Оптимизация структуры городских зеленых насаждений [Текст] / ЕВ Авдеева//Химия растительного сырья, 1998, № 2 - С 83-86

9 Авдеева, Е В Разработка регрессионных моделей структуры городских зеленых насаждений /ЕВ Авдеева // Лесной журнал, 2000, № 3 - С 67 -70

10 Авдеева, ЕВ Особенности роста древесной растительности в условиях городской среды [Текст] / Е В Авдеева Деп ВИНИТИ № 2967 В00, 2000 - 10 с

11 Авдеева, Е В Формирование пригородных пространств крупного города Сибири [Текст] / Е В Авдеева // Вестник Крас ГАУ - № 8 - 2004 - С 144 - 147.

12 Авдеева, Е В Оценка уровня загрязнения воздушной среды в примагистральном пространстве г Красноярска [Текст] /Авдеева Е В //Вестник Крас ГАУ - №9 - 2005 - С 121 - 123

13 Авдеева, ЕВ Особенности ландшафтной среды [Текст] ! Авдеева ЕВ // Вестник Крас ГАУ - №10 - 2005 - С 142 - 145

14 Кузьмичев, В В Реакция лиственницы сибирской (Larix sibinca Ledeb) на техногенные воздействия городской среды [Текст] / В В Кузьмичев, Е В Авдеева // Хвойные бореальной зоны Вып XXIV - № 1 - 2007 - С 36-42

15 Авдеева, Е В Специфика онтогенеза и индикаторная роль лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb) в условиях городской среды [Текст] /ЕВ Авдеева, В В Кузьмичев // Хвойные бореальной зоны Вып XXIV - № 2 - 2007 -С 43-52

16 Авдеева, ЕВ Обоснование выбора рациональной структуры городских зеленых насаждений [Текст] / ЕВ. Авдеева // Лесная таксация и лесоустройство сб ст - Красноярск, 1994 -С 116- 119

17 Авдеева, ЕВ Влияние освещенности на биометрические параметры деревьев [Текст] /ЕВ Авдеева //Лесной комплекс и химические производства сб ст -Красноярск, 1994 -С 91-92

18 Авдеева, ЕВ Влияние различных типов посадки на рост лиственницы в условиях городской среды [Текст] /ЕВ Авдеева // Переработка растительного сырья и утилизация отходов сб ст - Красноярск, 1996 - С 70-72

19 Авдеева, ЕВ Динамика объемно-пространственной структуры деревьев березы повислой в условиях городской среды [Текст] /ЕВ Авдеева И Лесная таксация и лесоустройство сб ст -Красноярск, 1996 - С. 76-80

20 Авдеева, Е В Применение математических методов к анализу возрастных изменений древесных растений в условиях городской среды [Текст] / ЕВ Авдеева//Вестник СибГТУ сб ст - Красноярск, 1996 -С 216-219

21. Авдеева, Е В Экологическое состояние лесных ландшафтов урботехногенной системы [Текст] /Е В, Авдеева// Тр, ПетрГУ. сб ст - Петрозаводск, 2003 С 7-10

22 Авдеева, Е В Формирование структуры насаждений лиственницы сибирской в условиях городской среды [Текст] /ЕВ Авдеева // Вестник СибГТУ сб ст -Красноярск, 2003 - С 42 - 48

23 Авдеева, Е В Природный каркас - основа устойчивого развития урбанизированных территорий [Текст] /ЕВ Авдеева // Проблемы озеленения городов сб ст Вып 10 - Москва, 2004 -С.18-20

24 Авдеева, Е В Ландшафтная организация пригородных пространств крупного города Сибири [Текст] /ЕВ Авдеева // Химико-лесной комплекс - проблемы и решения матер конф - Красноярск, 2004 - С 228 - 233

25 Авдеева, Е В Организация городских и пригородных пространств г Красноярска /ЕВ Авдеева // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы матер конф - Красноярск, 2004 - С 298 -303

26 Авдеева Е В Роль ландшафтных компонентов в формировании комфортной среды сибирских городов [Текст] /ЕВ Авдеева //Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России сб ст МГУП -М,2005 - С 461 -465.

27 Авдеева, Е В Анализ влияния условий произрастания на биометрические параметры деревьев [Текст] / ЕВ Авдеева // Проблемы химико-лесного комплекса матер конф - Красноярск, 1995.-С 92- 93

28 Авдеева, Е В Влияние экологической ситуации на состояние городских зеленых насаждений [Текст] /ЕВ Авдеева // Достижения науки и техники развитию города матер конф -Красноярск, 1997 - С 283-284.

29 Авдеева, Е В Роль природных компонентов в формировании комфортной среды Сибирских городов [Текст] /ЕВ Авдеева // Достижения науки и техники развитию Сибирских регионов матер конф -Красноярск, 1999 - С 240-241

30 Авдеева, Е В Средообразующие факторы и динамика зеленых насаждений в условиях городской среды /ЕВ Авдеева // Химико-лесной комплекс научное и кадровое обеспечение в 21 веке матер конф - Красноярск, 2000 - С 88-91

31 Авдеева, Е В Оценка степени загрязнения атмосферного воздуха в примагистральном пространстве Красноярска [Текст] /ЕВ Авдеева, С С Орлов // Химико-лесной комплекс матер конф - Красноярск, 2004 - С 208-210

32 Авдеева, Е В Воздействие автотранспортных средств на окружающую среду городов [Текст] /ЕВ Авдеева, В А. Тарасов // Химико-лесной комплекс проблемы и решения матер конф - Красноярск, 2004 - С 206 - 208

33 Авдеева Е В Ландшафтная среда как основа устойчивого развития урбанизированных территорий /ЕВ Авдеева // Стратегия экономического развития Красноярска до 2010 г матер конф - Красноярск, 2004 - С 245-247

Сдано в производство 10 09 07 Формат 60x84 1/16 Уел печ л 2,0 Изд №9-013 Заказ N9 2203 Тираж 100 экз

Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г Красноярск, пр Мира, 82