Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние биотической составляющей геокомпозиционных систем на развитие эрозионных процессов на крутых склонах и откосах рекреационных территорий

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Влияние биотической составляющей геокомпозиционных систем на развитие эрозионных процессов на крутых склонах и откосах рекреационных территорий"

На правах рукописи

Володина Людмила Александровна

ВЛИЯНИЕ БИОТИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ГЕОКОМПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМ НА РАЗВИТИЕ ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА КРУТЫХ СКЛОНАХ И ОТКОСАХ РЕКРЕАЦИОННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ноя т

Москва 2014

005555950

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Слепнев Павел Алексеевич

Пузанов Александр Васильевич

доктор биологических наук, профессор, ФГБУН Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН, заместитель директора по научной работе

Гудкова Екатерина Анатольевна

кандидат технических наук, Федеральное агентство научных организаций, Управление по взаимодействию с РАН и обеспечению деятельности научно-координационного совета, советник отдела по организации взаимодействия с РАН

ГУП «Научно-исследовательский и проектный институт Генерального плана города Москвы»

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, студия №9а «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» www.mgsu.ru.

Автореферат разослан ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Слесарев Михаил Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Для стабилизации эрозионных процессов и защиты сооружении на склонах рекреационных территорий Московского региона необходимо изучить развитие данного процесса, в частности, определить скорости его протекания и разработать мероприятия по защите. Наиболее надежным и экологичным средством защиты от эрозии является метод создания устойчивого дернового слоя и озеленение поверхности. Для его реализации требуется обеспечить устойчивость плодородного грунта, что особенно сложно выполнить на крутых склонах. Чаще всего это достигается с помощью устройства на поверхности склона геокомпозиционных систем, включающих конструктивные элементы и биотическую составляющую. Изучение компонентов биотической составляющей (растений и почвы) является вопросом, стоящим на стыке научных направлений в ботанике, агрохимии, почвоведении, строительстве, и, как показывает практика, не входит в задачи их исследований. Поэтому зачастую выбор компонентов биотической составляющей происходит без учета природно-технических условий территории, а режим эксплуатации является неприемлемым по отношению к природе, что приводит к постепенной деградации экосистем и удорожанию работ по противоэрозионной защите природных территорий. В соответствии с Постановлением Правительства Москвы от 10 июля 2014 года № 394-ПП «Об основных положениях новой экологической политики города Москвы на период до 2030 года» ключевыми принципами экологической политики являются приоритетность сохранения и восстановления биоразнообразия, природных ландшафтов, отмечается необходимость сохранения местных видов растений и внедрения технологий бережного содержания природных территорий. Таким образом, тема данной диссертации актуальна и является перспективным направлением исследований, имеющим прикладное значение.

Цель работы - исследование влияния биотической составляющей геокомпозиционных систем на развитие эрозионных процессов на крутых склонах и откосах рекреационных территорий.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ актуальной информации, обобщающей данные о геоэкологической устойчивости вторичных природных ландшафтов рекреационных территорий Московского региона и современном состоянии учета влияния биотической составляющей геокомпозиционных систем на развитие эрозионно-склоновых процессов;

2. Разработка методик определения скорости плоскостного смыва и проведения мониторинга растительного покрова на склонах рекреационных территорий Московского региона;

3. Получение данных, касающихся влияния природно-технических условий склона (световой, эксплуатационный режимы, многоярусность растительного сообщества) на почвозащитные свойства растительного покрова и влияния биотической составляющей (растительного сообщества) на развитие эрозионно-склоновых процессов;

4. Формулировка обязательных требований к видовому составу и структуре растительных сообществ для использования их в качестве биотической составляющей, подбор эффективных видовых составов растительных сообществ для укрепления склонов рекреационных территорий Московского региона в зависимости от природно-технических условий склонов, разработка рекомендаций по содержанию растительного покрова склонов.

Объект исследований диссертационной работы - крутые склоны и откосы рекреационных территорий Московского региона, подверженные эрозионным процессам.

Предмет исследования - влияние биотической составляющей геокомпозиционных систем на развитие эрозионных процессов на крутых склонах и откосах рекреационных территорий.

Рабочая гипотеза диссертации заключается в том, что биотическая составляющая геокомпозиционных систем, в частности, растительное сообщество, оказывает значительное влияние на развитие эрозионно-склоновых

процессов на рекреационных территориях. Почвозащитные свойства растительного сообщества (основные показатели - проективное покрытие растительности и дернина) зависят от природно-технических условий склона. В связи с этим рациональный подбор и применение растительных сообществ в зависимости от природно-технических условий склона позволяет обеспечить эффективную работу геокомпозиционных систем противоэрозионной защиты на крутых склонах и откосах рекреационных территорий.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Установлено,что на крутых склонах и откосах биотическая составляющая геокомпозиционных систем снижает фактическую среднюю скорость водного потока в 4-6 раз по сравнению с незащищенными склонами и откосами;

2. Установлено, что на крутых склонах, сложенных супесчаными грунтами, биотическая составляющая геокомпозиционных систем в виде разнотравного растительного сообщества с проективным покрытием 80-90% снижает среднегодовую скорость эрозии в 2-2,5 раза по сравнению с незащищенными склонами;

3. В ходе мониторинга растительного покрова на крутых склонах установлено, что за один год интенсивной эксплуатации (зимняя рекреация и покосы по всей площади 1 раз в сезон) снижается уровень почвозащитных свойств разнотравного растительного сообщества на одну категорию с уменьшением проективного покрытия эрозионноустойчивых видов растений в 1,5-3,3 раз и общего проективного покрытия в 1,2-1,9 раз;

4. Подобраны эффективные видовые составы растительных сообществ для использования их в качестве биотической составляющей геокомпозиционных систем в зависимости от природно-технических условий склона.

На защиту выносятся:

1. Новые данные о снижении фактической средней скорости водного потока на крутых склонах и откосах за счет биотической составляющей в составе геокомпозиционной системы в 4-6 раз по сравнению с незащищенными склонами и откосами;

2. Новые данные о снижении среднегодовой скорости эрозии на крутых склонах, сложенных супесчаными грунтами, в 2-2,5 раза за счет биотической составляющей в виде разнотравного растительного сообщества с проективным покрытием 80-90% по сравнению с незащищенными склонами;

3. Новые данные о снижении уровня почвозащитных свойств разнотравного растительного сообщества на одну категорию с уменьшением проективного покрытия эрозионноустойчивых видов растений в 1,5-3,3 раз и сокращении общего проективного покрытия в 1,2-1,9 раз за один год интенсивной эксплуатации (зимняя рекреация и покосы по всей площади 1 раз в сезон);

4. Эффективные видовые составы многоярусных растительных сообществ, подобранные для использования их в качестве биотической составляющей геокомпозиционных систем в зависимости от природно-технических условий склона.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том,

что:

• Разработанные и экспериментально апробированные методики проведения мониторинга растительного покрова и определения параметров процессов плоскостной эрозии на крутых склонах и откосах рекреационных территорий могут быть рекомендованы к применению в практике;

• Подобранные видовые составы многоярусных растительных сообществ возможно рекомендовать для укрепления крутых склонов рекреационных территорий Москвы и Московской области в зависимости от природно-технических условий территории;

• Обязательные требования к видовому составу и структуре растительных сообществ и рекомендации по эксплуатационному режиму склонов и откосов могут быть использованы для разработки стандарта устройства и эксплуатации биотической составляющей геокомпозиционных систем на крутых склонах и откосах рекреационных территорий Московского региона;

• Полученные параметры процесса плоскостной эрозии могут быть использованы при проектировании сооружений на склонах: подпорных стенок, опор ЛЭП, подъемников, транспортных сооружений.

Результаты диссертации использованы ГБУК г. Москвы «Московский государственный объединенный художественный историко-архитектурный и природно-ландшафтный музей-заповедник» при выполнении практических мероприятий по благоустройству склонов Коломенского и ЗАО «Институт ПРОМОС им. Цейтлина Г.А.» по благоустройству откосов дорожных сооружений г. Москвы в 2014 году.

Личный вклад автора: Все научные результаты, вынесенные на защиту, получены автором лично.

Методы исследования. Исследования проводились с помощью мониторинга растительного покрова, как основного метода изучения сукцессии растительности, с использованием апробированных подходов и методик, а также с помощью дендрохронологического метода. Анализ результатов выполнялся с помощью методов экологических шкал, аналогии, сравнительного анализа растительности, анализа сукцессионных процессов и математико-статистического метода.

Обоснованность и достоверность результатов обусловлены проведением многолетнего непрерывного мониторинга растительного покрова на постоянных пробных площадях, применением апробированных методик и стандартной измерительной техники, математико-статистическими расчетами. При определении скоростей плоскостного смыва использовалось необходимое число измерений, обеспечивающих получение результатов с вероятностью 0,8.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 19-21 октября 2011 г.), VI Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 23-24 мая 2013 г.), Международной научно-практической

конференции, посвященной 100-летию выпуска первого мелиоратора в России «Проблемы природоохранной организации ландшафтов» (Новочеркасск, 24-25 апреля 2013 г.), IX Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии» (Гродно, 23-25 октября 2013 г.), Международной научно-практической конференции, посвященной памяти заслуженного архитектора РФ В.Н.Городкова «Архитектура, градостроительство, историко-культурная и экологическая среда городов центральной России, Украины и Беларуси» (12-13 марта 2014 г., Брянск).

Публикации.

Основное содержание работы опубликовано в 11 печатных статьях. Из них 6 - в изданиях, входящих в список рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 147 наименований. Общий объем работы 132 страниц основного текста, включающего 29 рисунков и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы рабочая гипотеза, цель и задачи исследований; обоснованы достоверность, научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы.

В главе 1 изложены результаты обзора информации о современном геоэкологическом состоянии ландшафтов рекреационных территорий Московского региона. На значительной части рекреационных территорий развиты процессы плоскостной водной эрозии. В основном им подвержены формирующиеся на рыхлых четвертичных песчано-супесчаных и суглинистых отложениях почвы крутых склонов надпойменных речных террас, откосов карьеров, насыпей.

Изучению развития эрозионных процессов посвящены труды Н.И.Маккавеева, М.Н.Заславского, Г.А.Ларионова, В.С.Боровкова, В.С.Круподерова, В.В.Волшанника, М.И.Евграфовой и др. Анализ данных работ

позволил выделить основные факторы, влияющие на развитие плоскостного смыва, среди которых особое внимание уделялось формированию растительного покрова. Высокие почвозащитные способности растительности отмечены в работах Ц.Е.Мирцхулавы, А.Н.Каштанова, В.И.Кирюшина, Г.И.Швебса, Ю.Г.Жарковой, Н.Н.Азаркиной. Вопросы изменения биотической составляющей под действием факторов среды рассматривались в трудах Т.А.Работнова, Т.К.Горышиной, А.Д.Булохова, А.Н.Луферова. Однако данные исследования проводились в основном на плоских и пологих территориях и имели флористические и сельскохозяйственные цели. Фитозащите крутых откосов посвящены немногочисленные работы, среди которых можно выделить исследования С.Н.Чернышева, Е.В.Щербины, Н.Г.Тазиной, В.И.Дарчии на откосах Святой Богородичной Канавки в Дивеево. В трудах М.И.Афониной, В.А.Селиверстова, Б.Ф.Перевозчикова рассматривались вопросы укрепления дорожных откосов на основе создания многоярусных фитоценозов. Было выявлено, что растения из семян готовых травосмесей зачастую не приживаются или обладают устойчивостью только в течение короткого времени. Это происходит из-за отсутствия должного внимания к влиянию биотической составляющей на развитие эрозионно-склоновых процессов, которое выражается в игнорировании природно-технических условий склона при подборе фитоценоза и отсутствия рационального режима эксплуатации растительного покрова на склонах. На основании проведенного литературного обзора состояния проблемы были сформулированы цель и задачи исследований.

Глава 2 посвящена разработке методики определения среднегодовой скорости плоскостной эрозии на склонах, а также методики и программы проведения мониторинга растительного покрова.

Для определения среднегодовой скорости плоскостной эрозии на склонах принят дендрохронологический метод, позволяющий определить скорость по смыву грунта возле деревьев, корни которых обнажены. В методике принимается, что начало эрозионного процесса в точке измерения совпадает с началом роста дерева. В этот момент его корневая шейка находится на уровне земли. Измерение

превышения корневой шейки над склоном проводится справа и слева от дерева вдоль горизонтали, что позволяет получить независимую от влияния дерева характеристику. Возраст дерева определяется по годовым кольцам на пнях, имеющихся на территории. Определив возраст дерева, у которого измерено превышение корневой шейки над поверхностью склона, возможно вычислить скорость эрозии в см/год.

В целях изучения динамики растительности на склонах разработана методика проведения мониторинга растительного покрова, включающая:

1. Маршрутные наблюдения, в ходе которых отбираются однородные по положению в рельефе крутые склоны с потенциальным или активным развитием эрозионных процессов;

2. Ландшафтно-экологнческнй анализ склонов, включающий исследование геоморфологических условий склонов, оценку эрозионной опасности, светового режима склонов.

Оценка развития эрозионных процессов на исследуемых склонах проводится с помощью математической модели. Методикой предусматривается определение срывающей скорости водного потока Г по формуле В.Н.Гончарова:

.. , 8.8хН , „, „ Уг = 1а-х гу = 1.41 х г

' (1)

где Я — глубина потока, м (для плоского потока Н = Я, Я -гидравлический радиус потока; диаметр частиц грунта (м); со— гидравлическая крупность частиц при стандартном (турбулентном) режиме обтекания, определяемая по модели Д.Ц.Мирцхулавы с уточнениями П.А.Слепнева и А.А.Алексеева, V*- несдвигающая скорость.

Фактическая средняя скорость потока (V) рассчитывается по формуле Павловского-Шези:

(2)

где п- коэффициент шероховатости, позволяющий учесть характеристики поверхности склона, а - угол наклона склона.

При V > Г. на склонах развиты эрозионные процессы.

3.Геоботанические исследования, предусматривающие учет проективного покрытия травяного яруса, встречаемость, обилие видов растений на выбранных склонах с помощью метода Друде с дополнениями А.А.Уранова. Оценка почвозащитных свойств травяного покрова проводится по шкале, разработанной Ю.Г.Жарковой, подразумевающей 4 категории почвозащитных свойств: от категории 1 (растительные сообщества с доминированием злаковых корневищных растений и проективным покрытием выше 75%) до категории 4 (растительные сообщества с доминированием однолетних растений и проективным покрытием менее 30%).

4 .Исследование агрохимических свойств почв, включающее оценку кислотно-щелочных свойств по показателю рН солевой вытяжки по стандартной методике и определение содержания гумуса в почве методом Тюрина в модификации Никитина. Отбор проб почвы производится в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83.

Календарный план наблюдений рассчитан на срок 14 месяцев, с 25 августа 2012 г. по ноябрь 2013 г. и включает в себя все сезоны за исключением зимнего с необходимой частотой проведения исследований.

Глава 3 посвящена исследованию влияния природно-технических условий склона на почвозащитные свойства растительного покрова и развитие эрозионно-склоновых процессов. Для этой задачи были выбраны крутые склоны и откосы рекреационных территорий Московского региона. Пять из них расположены по бортам оврага в парке Нескучный сад, имеют различную экспозицию и угол наклона в пределах от 7° до 40°. Покровные четвертичные отложения данных склонов представлены рыхлыми супесчаными грунтами, расположенными поверх супесей, мелких и пылеватых песков нижнего мела. Склоны оврагов равномерно покрыты древесной растительностью широколиственных пород: липой сердцелистной, кленом платанолистным, вязом гладким, кустарниковым подлеском и спорадическими пятнами травяного покрова. Сомкнутость крон на представленных склонах варьируется от 60% до 95%. Проективное покрытие травяного яруса принимает значение от 10% до 40%.

Расчеты показали, что при отсутствии устойчивого растительного покрова все склоны являются эрозионно-опасными, что подтверждается наблюдаемым активным развитием плоскостной эрозии на склонах. Скорости водных потоков для пологих склонов составляют в среднем 0,13 м/с, для крутых и очень крутых 0,24-0,25 м/с, что превышает критические значения скоростей для тех же склонов (для пологих склонов- 0,11 м/с, для крутых и очень крутых - 0,04-0,07 м/с) Расчеты показывают, что при устройстве растительного покрова на склонах фактическая скорость водного потока снижается в среднем в 6 раз и составляет для пологих- 0,02 м/с, для крутых и очень крутых 0,039 м/с.

Также для исследования было выбрано 9 крутых склонов на территории музея-заповедника «Коломенское», расположенного в южной части столицы на правом берегу р. Москвы. Характеристики склонов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика геоморфологических условий и условий освещенности склонов

Коломенского

№ Положение в рельефе Угол Эксп. Состав древесных

скл. наклона. пород; Сомкнутость

град крон, %;

1 Лев. склон Голосова оврага 22 Ю -

2 Лев. склон Голосова оврага 25 Ю Кленовник; 100;

3 Лев. отвершек Голосова оврага 41 С-3 Липняк; 90;

4 II надп. терраса р. Москвы 20 Ю-В Кленовник; 95;

5 II надп. терраса р. Москвы 40 Ю-В Кленовник: 100:

6 I надп. терраса р. Москвы 12 В -

7 II надп. терраса р. Москвы 16 В -

8 II надп. терраса р. Москвы 17 С-3 -

9 Лев. отвершек Голосова оврага 37 3 Кленовник; 95;

Почвообразующие породы представлены супесями и суглинками четвертичного периода. Проведенные исследования агрохимических свойств почв показали, что все склоны имеют слабощелочную реакцию почвенной среды и содержание гумуса от 3 до 6,5 %, что является оптимальным содержанием на дерново-подзолистых почвах Московского региона.

На графике (рис. 1) представлены результаты определения критических и фактических скоростей водного потока с учетом и без учета растительного покрова на склонах в зависимости от гранулометрического состава. Критические

скорости водных потоков для грунтов данных склонов — 0,06-0,1 м/с (представлены кривыми). Фактические скорости без учета растительного покрова составляют 0,18-0,27 м/с (изображены синими точками над кривыми). С учетом биотической оставляющей 0,04-0,052 м/с. (изображены красными точками под кривыми).

склон 9 склон 3

склон 5

0,003 0,002

0,001_

8 8 8 8 §

Размер частиц, мм

Рис. 1. Значения критических и фактических средних скоростей потока для каждого склона в зависимости от гранулометрического состава: • 1- фактическая средняя скорость потока без учета растительного покрова; ® Г -фактическая средняя скорость потока с учетом растительного покрова;-----критические скорости.

Результаты показывают, что биотическая составляющая склонов позволяет снизить фактическую среднюю скорость водного потока в 4-6 раз.

В ходе исследования на всех склонах Нескучного сада и 4-х склонах Коломенского проведено 3 вида измерений: на каждом склоне определен уклон (в 6-7 точках), измерены диаметры деревьев (10-19 деревьев) и глубина плоскостного смыва справа и слева от каждого дерева. Таким образом, выполнено порядка 250 измерений. Измерение глубины смыва проводилось в основном по корневым системам клёна платанолистного и липы сердцелистной. Для определения возраста дерева принят средний годичный прирост диаметра

Дс1=0,62см, посчитанный по обследованным на территориях семи липовым пням. На рис.2 приведен график, построенный по склону 1 Нескучного сада. Площадь участка составляет около 0,5 га. Как видно из графика, между глубиной плоскостного смыва и диаметром дерева прослеживается тесная связь (коэффициент корреляции К=0,91), что говорит о надежной линейной зависимости данных величин. Необходимо также заметить, что данная прямолинейная функция соответствует фазе быстрого роста дерева. Коэффициенты корреляции для остальных склонов принимают значения от 0.8 до 0.94.

70

60 -- 0.7699 .>

8 50 »

1 40 ..■•""

£ .."В

г зо

5 .

120 *

' -л' -

хо 4, ■ * *

о ••"'

0 10 20 30 40 50 60 70

Диаметр «резд с*

Рис.2. Зависимость между глубиной плоскостного смыва и диаметром дерева:

а - точка измерения по клену; " - точка измерения по липе.

По полученным данным скорость плоскостного смыва в условиях Москвы для склонов, сложенных супесчаными и песчаными грунтами, составляет на крутых склонах - 0,5-1,6 см/год, на пологих — 0,2-0,3 см/год. Ранее отечественными исследователями [С.К.Гореловым, Р.Е.Переслегиной] определялись среднегодовые скорости плоскостной эрозии в условиях Средней Азии для склонов с различными почвообразующими породами. Проективное покрытие травяного яруса на данных склонах 15-30%. Сравнение скоростей (табл.2) показывает, что климатические условия, в первом приближении, не оказывают решающего влияния на скорость плоскостной эрозии на супесчаных грунтах. В условиях Средней Азии и Москвы скорости оказались одного порядка.

Но состав материнских пород сильно влияет на скорость плоскостной эрозии. Так, на склонах, сложенных мергелями скорость снизилась в 6-7 раз по сравнению со склонами, сложенными супесчаными грунтами. Также установлено, что на крутых склонах, сложенных супесчаными грунтами, биотическая составляющая геокомпозиционных систем, представленная травяным покровом с проективным покрытием 80-90% (склоны 2, 9 Коломенского), снижает среднегодовую скорость эрозии по сравнению со скоростями на аналогичных склонах с проективным покрытием травяного яруса 15% в 2-2,5 раза.

Таблица 2.

Среднегодовые скорости плоскостной эрозии на крутых склонах _рекреационных территорий_

№ п/п № склона на объекте Угол наклона, град Грунт Экспозиция Сомкн. крон,% Проект.покр. трав, яруса, % Скорость, см/год

Коломенское

1 2 25 Супесь песч. Ю 100 80 0,6-0,8

2 3 41 Супесь песч. С-3 90 15 1,04-1,6

3 4 20 Суглинок песч. Ю-В 95 15 0,7-1,1

4 9 37 Супесь песч. 3 1 95 90 0,5-0,6

Нескучный сад

5 1 35 Супесь песч. С-3 80 40 0,7-0,9

6 2 40 Супесь песч. ю 80 15 0,97-1,36

7 3 30 Супесь песч. ю-з 90 40 0,43-0,65

8 4 7 Супесь песч. 3 90 10 0,16-0,22

9 5 7 Супесь песч. с 90 10 0,25-0,33

Исследования в Средней Азии [С.К.Горелов, Р.Е.Переслегина

10 2 27-31 Супесь пылев. 3, С-3 60 20-25 0,5-1,13

11 3 12-28 Мергели 3, С-3 60 10-15 0,08-0,15

При обобщении геоботанических описаний, проводившихся на склонах

Коломенского специалистами-геоботаниками до 2012 г. и лично автором в 20122013 гг., получены ряды смен растительных сообществ в результате влияния эксплуатационного режима (покосов и рекреационного использования), а также характеристики изменений данных сообществ (см. табл.3):

- на склоне 1 зимнее рекреационное использование (катание на лыжах) и покосы в осеннее и летнее время в течение двух лет спровоцировали изменение видового состава фитоценоза: произраставшие на склоне более 20 лет виды разнотравья с доминированием корневищных видов (категория 2) начали

уступать место сорно-рудеральным видам со стержневой корневой системой (категория 3), а в последующий год и однолетним видам (категория 4), что спровоцировало развитие эрозионных процессов на склоне. При отмене эксплуатационных воздействий первоначальный фитоценоз начал восстанавливаться;

- на склоне 2 в течение двух лет наблюдается рекреационное воздействие-вытаптывание, спровоцировавшее угнетение растительного покрова (снижение числа видов и проективного покрытия). Таким образом, произошло изменение почвозащитных свойств травяного покрова на две категории и развитие эрозионного процесса;

- на склоне 6 нерегулируемое частое скашивание (в среднем 1 раз в сезон) в течение 2-х лет привело к сукцессии: представители злаково-разнотравного луга с корневищными видами стали заменяться сорно-рудеральными стержнекорневыми и однолетними растениями. Таким образом, за данное время произошло снижение почвозащитных свойств травяного покрова на две категории.

Таблица 3.

Таблица изменения характеристик почвозащитных свойств растительных сообществ на склонах Коломенского в результате влияния эксплуатационного режима

№ / скл/ / к Первоначальное состояние 1 -й год 2-й год

Число видов Проект. покр.,% Число видов Проект. покр.,% Число видов Проект. покр.,%

О Э О э О Э О Э О Э О Э.

1 16 5 100 75 10 3 75 50 5 1 40 15

К 2 3 4

2 7 5 90 75 5 3 60 40 3 1 20 10

К 2 3 4

6 12 7 100 75 9 5 90 50 8 3 60 20

К 2 3 4

7 3 3 70 70 9 4 90 75 12 6 95 75

К 3 2 2

О- общее значение для всех видов растений на склоне; Э- значение для эрозионноустойчивых видов растений (с длинными поверхностными корневищами или мочковатой корневой системой); К- почвозащитная категория.

На склоне 7 Коломенского до защиты от эрозии располагался разнотравный луг с многодоминантным сообществом из корневищных представителей разнотравья. В рамках защиты от эрозии на поверхности склона устраивалась геокомпозиционная система (на основе геоячеек) с высаживанием семян бобово-злаковой смеси. В течение 2-х лет после укрепления покосы не производились, что позволило развиться на склоне устойчивому растительному покрову. В последующие годы (см. табл. 3) проводились покосы только высоких сорняков (осенью 1 раз в год). Данный эксплуатационный режим содействовал постепенному возвращению (самосевом с прилегающих территорий) видов лугового фитоценоза, произраставших на склоне до укрепления. Таким образом, за данное время произошло повышение уровня почвозащитных свойств травяного покрова на одну категорию.

Также известно, что на склоне 8 в первые 2 года после устройства геокомпозиционной системы (на основе геоячеек) по всей площади склона проводились покосы (2 раза осенью). Это спровоцировало замедление в развитии устойчивого травяного покрова - на участке наблюдается вымывание грунта из геоячеек.

Таким образом, результаты исследования показали, что содержание биотической составляющей в отсутствии специальных требований к декоративности должно быть направлено на снижение частоты скашивания до экологически целесообразной и проводиться не чаще одного раза в год (30-50% участка). В связи с тем, что данный режим будет основан на использовании функций саморегуляции растительного сообщества, пропадает необходимость или снижается частота проведения некоторых других операций (внесение удобрений, рыхление и т.д.). Подобное содержание растительного покрова будет дешевле содержания лугового газона по действующим нормам как минимум в 3 раза.

Сравнительный анализ растительности склонов Коломенского, однородных по положению в рельефе, но различных по световому режиму показал, что световой режим является определяющим фактором в развитии фитоценозов на

тенистых склонах. Таким образом, проведенные исследования на склонах Коломенского подтверждают необходимость подбора фитоценоза в зависимости от природных условий для эффективной защиты склона от эрозии.

Геоботанические исследования проводились также на территории горнолыжного курорта «Сорочаны», расположенного в 40 км от г. Москвы по Дмитровскому шоссе в пойме реки Яхрома. Курорт создан в виде насыпного холма в 2001 г. из грунтов преимущественно песчаного состава, с прослоями суглинков. Холм имеет 8 горнолыжных спусков, направленных на север, северо-восток, восток и юг. Угол наклона в верхней части спусков варьируется от 9° до 20°. Ранее на всей территории проводились мероприятия по защите от эрозии с последующим озеленением откосов видами растений злаковых и бобовых семейств. Установленная частота покосов не превышает 1 раза в год. По расчетам в отсутствии растительного покрова откосы являются эрозионно-опасными. Фактические скорости водного потока на поверхности откосов без учета растительного покрова величиной 0,16-0,2 м/с превышают критические неразмывающие скорости, равные 0,08-0,11 м/с. С учетом биотической составляющей для тех же откосов скорость составляет - 0,035-0,045 м/с. Таким образом, растительный покров сокращает фактическую скорость потока в 4-5 раз.

В результате геоботанических исследований определено, что растительные сообщества, развитые из стандартных злаково-бобовых травосмесей, спустя 10 лет в условиях редких покосов помимо видов злаковых и бобовых семейств представлены как минимум 15 видами лугового разнотравья, благодаря которым фитоценозы откосов со временем приобрели черты устойчивых природных сообществ и удерживают откосы от разрушения даже при повышенных рекреационных нагрузках.

Глава 4 посвящена подбору эффективных видовых составов растительных сообществ для применения их в качестве биотической составляющей геокомпозиционных систем в зависимости от природно-технических условий склона. В ходе мониторинга выяснено, что наибольшей устойчивостью характеризуются многоярусные сообщества, т.к. возникли в результате

длительной эволюции. Наряду с конкурентными отношениями, в таких ценозах отмечается взаимопомощь, в частности, лучше удерживается влага в почве, а наземные части растений защищают друг друга от высокой степени инсоляции и высоких температур, что особенно актуально в условиях континентального климата Московского региона. Многоярусность обеспечивает наиболее полное использование ресурсов среды растениями за счет разделения экологических ниш и снижения конкуренции между видами, способствует биоразнообразию всех обитающих организмов, создавая также условия для местообитания редких растений.

Были выработаны обязательные требования к видовому составу и структуре растительного сообщества как устойчивой биотической составляющей геокомпозиционных систем:

1. Состав должен быть многовидовым и содержать растения из разных функциональных групп (по возможности быть многоярусным-3-5 ярусов);

2. Видовой состав и структура растительного сообщества должны быть приближенными к составу и структуре сообществ, формирующихся естественно в сходных природно-технических условиях;

3. Виды растений должны быть характерными для средней полосы России;

4. Виды, формирующие основу сообщества, должны иметь длинные поверхностные корневища или мочковатую корневую систему, развитую надземную часть, обладать хорошей приживаемостью.

Исследования показали, что данным требованиям соответствуют многоярусные фитоценозы склонов 1, 2 и 9 Коломенского. Данные растительные сообщества являются устойчивыми, т.к. укрепляют данные территории более 20 лет и не имеют направленных количественных изменений в участии видов. По экологическим шкалам Цыганова Д.Н. и наблюдениям на прилегающих склонах определены диапазоны режимов факторов, при которых возможно их существование, (см. табл. 4) Данные фитоценозы могут применяться на крутых склонах рекреационных территорий при отсутствии специальных требований к декоративности.

Таблица 4

Эффективные видовые составы растительных сообществ для различных природно-технических условий склона

Диапазон различных режимов, при котором возможно

существование растительного сообщества

№ Эксп. Угол Водн. Солев. Кислот- Светов.

п.и. Видовой состав растительного сообщества накл., режим режим ность почв, режим

град почв почв, мг/л рН травяного покрова

Основа сообщества: лабазник вязолистный, живучка Ю; 15-30 от 83-200 от кислых от полуоткр.

ползучая, яснотка белая, сныть обыкновенная, ветреница Ю-3; сухолесо до слаоо- пространств

лютичная (эфемероид). В составе сообщества также 3; лугового щелочных до промежут.

1 присутствуют герань луговая, лесная, зверобой Ю- до сыро- 4,5-8,0 между светл

продырявленный, звездчатка дубравная, земляника лесная, буквица лекарственная, зеленчук жёлтый, разные виды колокольчиков, одуванчик лекарственный. Древесный ярус: клён платанолистный, клён ясенелистный В; В лесолу-гового и тенистыми лесами; сомкнутость крон 25-40%

Основа сообщества: сныть обыкновенная, ветреница Ю; 15-30 от луго- 83-200 от кислых ог открытых

лютичная (эфемероид), щитовник мужской, зеленчук Ю-3; степного до слаоо- пространств

1 жёлтый, яснотка пурпурная; 3; до сыро- щел очных до особо

Древесный ярус: клён платанолистный, клён ясенелистный, вяз гладкий. Кустарники: лещина обыкновенная. Ю- В; В лесолуго вого 4,5-8,0 тенист.лссов; сомкнутость крон 0-100%

Основа сообщества: копытень европейский, вербенник С-3; 20-40 от луго- 83-200 от сильно- от полуоткр.

монетный, живучка ползучая, земляника лесная. В составе 3; стенного кисло пространств

сообщества на склоне также присутствуют ветреница С-В; до сыро- слабо- до тенистых

3 лютичная (эфемероид), чистотел большой, хохлатка плотная, гравилат городской, яснотка белая, Черноголовка обыкновенная, вероника дубравная. Древесный ярус: клён платановидный, дуб черешчатый, вяз гладкий. Кустарники: лещина обыкновенная, бересклет бородавчатый. В лесолуго вого щелочных 3,5-8,0 лесов; сомкнутость крон 30-45%

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны методики определения скорости плоскостного смыва на основе дендрохронологического подхода с учетом характера смыва грунта на залесенных территориях и проведения мониторинга растительного покрова с учетом факторов, определяющих развитие эрозии на склонах рекреационных территорий Московского региона;

2. В ходе мониторинга растительного покрова на крутых склонах установлено, что за один год интенсивной эксплуатации (зимняя рекреация и покосы по всей площади 1 раз в сезон) снижается уровень почвозащитных свойств разнотравного растительного сообщества на одну категорию с уменьшением проективного покрытия эрозионноустойчивых видов растений в 1,5-3,3 раз и общего проективного покрытия в 1,2-1,9 раз; в результате сравнительного анализа растительности склонов установлено, что на тенистых склонах световой режим (сомкнутость крон) является определяющим фактором в развитии травяного покрова; установлено, что многоярусные фитоценозы (3-5 ярусов) по сравнению с луговыми фитоценозами обладают наибольшей устойчивостью во времени;

3. В целях обоснования влияния биотической составляющей на развитие процессов эрозии было установлено, что биотическая составляющая в составе геокомпозиционной системы снижает среднюю скорость водного потока в 4-6 раз и тем самым препятствует развитию эрозионных процессов;

4. Установлено, что на крутых склонах, сложенных супесчаными грунтами, биотическая составляющая геокомпозиционных систем в виде разнотравного растительного сообщества с проективным покрытием 80-90% снижает среднегодовую скорость эрозии в 2-2,5 раза;

5. Обязательные требования к видовому составу и структуре растительного сообщества для применения в качестве биотической составляющей геокомпозиционной системы: содержание растений, характерных для средней полосы России, из разных функциональных групп, приближенность к составу и структуре сообществ, формирующихся естественно в сходных природно-

технических условиях, доминирование видов растений с длинными поверхностными корневищами или мочковатой корневой системой, развитой надземной частью и обладающих хорошей приживаемостью;

6. В соответствии с обязательными требованиями подобраны эффективные видовые составы многоярусных растительных сообществ для укрепления склонов рекреационных территорий для условий различной освещенности при разной экспозиции и крутизне склонов;

7. Предлагаемый эксплуатационный режим (содержание) крутых склонов рекреационных территорий с произрастанием луговой растительности, основанный на снижении частоты покосов до 1 раза в год, позволяет повысить уровень почвозащитных свойств фитоценоза.

Список публикаций по результатам исследований в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Володина, Л. А. Актуальные вопросы технологии мониторинга городских территорий, подверженных оползневым процессам / Л. А. Володина, М. А. Слепнев// Вестник МГСУ. - 2013,- №2.- С. 142-148.

2. Володина, Л. А. Влияние светового режима на устойчивое развитие травяного покрова на склонах Коломенского / Л. А. Володина // Научное обозрение.-2014,-№2,- С. 33-38.

3. Володина, Л. А. Влияние агрохимических показателей почвы на устойчивое развитие травяного покрова на склонах музея-заповедника «Коломенское» / Л. А. Володина, К. П. Хайдуков // Научное обозрение. - 2014. — № 5. — С. 47-53.

4. Володина, Л. А. Влияние режима эксплуатации противоэрозионных конструкций на гомеостаз природных экосистем склонов Коломенского / Л. А. Володина // Экология урбанизированных территорий. - 2014. - № 2. - С. 50-54.

5. Володина, Л. А. Методика определения скорости плоскостного смыва для проектирования сооружений на склонах / Л. А. Володина, С. Н. Чернышев // Вестник МГСУ. - 2014. - № 8. - С. 54-61.

6. Чернышев, С. Н. Зависимость скорости плоскостной эрозии от наклона

поверхности склона / С. Н. Чернышев, Л. А. Володина // Вестник МГСУ. -2014.-№8.- С. 153-164.

А также в других изданиях:

7. Володина, Л. А. Совершенствование технологии мониторинга городских территорий, подверженных опасным экзогенным геологическим процессам / Л. А. Володина, П. А. Слепнев // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании: сб. трудов Международной научной конференции. - М. : МГСУ, 2011.-Т. I. - С. 397-399.

8. Володина, Л. А. Актуальные вопросы защиты урбанизированных территорий, подверженных процессам водной эрозии / Л. А. Володина, П. А. Слепнев // Материалы VI Международной научно-практической конференции. -Астрахань, - 2013.- С. 106-109.

9. Володина, Л. А. Актуальные вопросы инженерной защиты урбанизированных территорий от плоскостной и овражной эрозии / Л. А. Володина, П. А. Слепнев // Проблемы природоохранной организации ландшафтов: материалы Международной научно-практической конференции, поев. 100-летию выпуска первого мелиоратора в России. — Новочеркасск : Изд-во ООО «Лик», 2013,- Ч. 1,- С.108-113.

10. Володина, Л. А. Особенности противоэрозионной защиты урбанизированных территорий / Л. А. Володина, П. А. Слепнев // Актуальные проблемы экологии: материалы IX Международной научно-практической конференции. - Гродно : ГрГУ им. Я. Купалы, 2013. - Ч. 2. - С. 13-15.

11. Володина, Л. А. Влияние светового режима растительного покрова на гомеостаз экосистем склонов территории музея-заповедника «Коломенское» / Л. А. Володина // Архитектура, градостроительство, историко-культурная и экологическая среда городов центральной России, Украины и Беларуси: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной памяти заслуженного архитектора РФ В.Н. Городкова. - Брянск. — 2014. - С. 323-327.

Подписано в печать: 19.11.2014 Тираж: 100 экз. Заказ № 1278 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru