Биологические основы формирования устойчивых экосистем и рационального использования почвенно-растительных ресурсов мегаполисов: на примере Санкт-Петербурга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.03, доктор биологических наук Ковязин, Василий Федорович

• Ковязин, Василий Федорович
• доктор биологических наук
• 2008

Оглавление диссертации доктор биологических наук Ковязин, Василий Федорович

1.1. Особенности экосистем мегаполисов

1.2. Общие свойства городских экосистем

1.3. Роль природных ландшафтов в обеспечении устойчивости экосистем мегаполисов

1.4. Классификация городских экосистем

1.5. Выводы

Глава 2. Объекты - экосистемы Санкт-Петербурга разной степени урбанизации и методика исследований

2.1. Экосистемы Санкт-Петербурга

2.1.1. Макроэкосистема (лесопарки)

2.1.2. Мезоэкосистема (сады и парки)

2.1.2.1. Парки исторического центра Санкт-Петербурга

2.1.2.2. Парки городов - спутников

2.1.2.3. Сады исторического центра Санкт-Петербурга

2.1.3. Микроэкосистема

2.1.3.1. Фитоценозы селитебных территорий

2.1.3.2. Древесные куртины и группы исторического центра города

2.1.3.3. Линейные насаждения исторического центра Санкт-Петербурга

2.1.3.4. Линейные насаждения городов - спутников

2.2. Методика исследований

2.3. Выводы

Глава 3. Характеристика основных компонентов мегаэкосистемы

Санкт-Петербурга

3.1. Природные условия мегаполиса

3.1.1. Климатические условия

3.1.2. Геологические и гидрографические условия

3.2. Влияние урбанизации на компоненты мегаэкосистемы

3.3. Абиотические компоненты экосистемы Санкт-Петербурга

3.3.1. Атмосфера

3.3.2. Гидросфера

3.3.3. Педосфера (почвенный покров)

3.4. Биотические компоненты мегаэкосистем

3.4.1. Растительность

3.4.2. Почвенно-биотический комплекс

3.5. Критерии оценки степени антропогенного воздействия на экосистемы мегаполиса

3.6. Концепция и принципы формирования устойчивых экосистем мегаполиса

3.7. Выводы

Глава 4. Видовое разнообразие растений в экосистемах Санкт

Петербурга различной степени антропогенного воздействия

4.1. Умеренно нарушенные фитоценозы (лесопарки)

4.2. Средненарушенные мезоэкосистемы

4.2.1. Парки исторического центра города

4.2.2. Парки городов - спутников

4.2.3. Сады исторического центра города

4.3. Сильно нарушенные микроэкосистемы (насаждения селитебных территорий)

4.4. Деградированные насаждения (линейные насаждения)

4.5. Оценка дендрофлористического разнообразия биотопов мегаэкосистемы

4.6. Выводы

Глава 5. Экологическое состояние почвенно-растительного комплекса урбоэкосистем Санкт-Петербурга

5.1. Основные дестабилизирующие факторы почвенно-растительного комплекса урбоэкосистем Санкт-Петербурга

5.2. Классификация почв городских экосистем

5.3. Агрохимические свойства почвы в экосистемах разной степени урбанизации

5.3.1. Лесопарки

5.3.2. Парки исторического центра Санкт-Петербурга

5.3.3. Сады исторического центра Санкт-Петербурга

5.3.4. Парки городов-спутников

5.3.5. Насаждения селитебных территорий

5.3.6. Линейные насаждения исторического центра Санкт-Петербурга

5.3.7. Линейные насаждения городов-спутников

5.4. Зависимость состава и продуктивности насаждений от уровня плодородия почвы и гидрологических условий

5.5. Санитарное состояние древесных насаждений в урбоэкосистемах Санкт-Петербурга

5.5.1. Парки исторического центра города

5.5.2. Сады исторического центра города

5.5.3. Парки городов-спутников

5.5.4. Селитебные территории

5.5.5. Линейные насаждения исторического центра Санкт-Петербурга

5.5.6.Линейные насаждения городов- спутников

5.6. Состояние кустарников в урбоэкосистемах Санкт-Петербурга

5.7. Вредители древесно-кустарниковых растений

5.8. Выводы

Глава 6. Формирование устойчивых лесопарковых насаждений

6.1. Дендрометрические показатели основных древесных пород - лесообразователей

6.1.1. Протяженность бессучковой части ствола

6.1.2. Наклон стволов и эксцентричность крон деревьев

6.1.3. Эстетические особенности крон деревьев

6.2. Экологическая оценка применения современных технологий формирования лесопарковых насаждений

6.2.1. Основные лесоводственные приемы проведения механизированных работ в лесопарках

6.2.2. Влияние механизированных технологий лесосечных работ на древостой

6.2.3. Естественное лесовозобновление после проведения механизированных работ

6.2.4. Изменение живого напочвенного покрова на вырубках

6.2.5.Влияние различных технологий лесосечных работ на почву

6.3. Выводы

Глава 7. Разработка кадастра зеленых насаждений мегаполисов 272 7.1. Понятие кадастра зеленых насаждений мегаполисов

7.2. Кадастровые показатели почвенно-растительного комплекса урбоэкосистем

7.2.1. Экспертная оценка кадастровых показателей растительности урбоэкосистем

7.3. Кадастровая стоимость насаждений городских экосистем

7.4. Модель информационного обеспечения кадастра насаждений мегаполиса с использованием ГИС-технологий

7.4.1. Разработка атрибутивной (семантической) базы данных насаждений мегаполисов

7.4.2. Разработка картографической базы данных насаждений города 295 7.4.3. Применение ГИС для совместной работы атрибутивной и картографической баз данных насаждений мегаполисов

7.5. Выводы

Глава 8. Рекомендации по рациональному использованию почвенно - растительных ресурсов мегаполисов

Выводы по диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биологические основы формирования устойчивых экосистем и рационального использования почвенно-растительных ресурсов мегаполисов: на примере Санкт-Петербурга»

Вторая половина XX века отмечена стремительным ростом количества и размеров городов, в которых проживает к настоящему времени более 70% населения планеты. Антропогенное воздействие на природную среду, ухудшение её состояния и расширение территорий, подвергнутых урбанизации, является характерной особенностью современной эпохи. В мегаполисах, где сосредоточено огромное количество людей, автотранспорта и промышленности, складывается неблагоприятная экологическая обстановка. Урбанизация подавляет и разрушает естественную природную среду как с количественной стороны (захват новых земель), так и с качественной (ухудшение состояния окружающей среды). Из-за недостаточного количества и плохого экологического состояния растительных ресурсов в мегаполисах обостряются экологические проблемы, связанные с ухудшением среды обитания горожан.

Международным индикатором соответствия мегаполисов принципам устойчивого их развития является количество и качество природных фитоценозов (Тетиор, 2006), которые являются биологическими буферными системами (Владимиров, 1999). Под влиянием антропогенных факторов, возникает сложная природно-антропогенная системная лаборатория (Цветков, 2004), урбоэкосистема. Структуру растительного сообщества и взаимосвязь между абиотическими и биотическими компонентами городской экосистемы формируют неоднородность почвенно-грунтовых, климатических и экологических условий (Дылис, 1969; Уткин, 1970; Романова, 2000) и антропогенное воздействие. Проблеме устойчивости лесных биогеоценозов посвящен ряд работ (Николаенко, 1987; Рожков, 1989; Никонов, 2003 и др.). Устойчивость городских фитоценозов определяется другими факторами: загрязнением атмосферы, выбросами автотранспорта и промышленности, углекислотой, пылью, ионизирующей радиацией, засоленностью почвы, противогололедными средствами, загрязнением почвы тяжелыми металлами, радиактивными и органическими соединениями, специфической почвенной биотой, деструкцией органического вещества почвы и др. (Шишов, 1991). В настоящее время ухудшение почвенно-растительного комплекса городских экосистем можно наблюдать не только в историческом центре Санкт-Петербурга, но и в пригороде. Несмотря на то, что еще в в 1904 году В. В.

Докучаев (Сочинения, 1954, Янин, 2007). привлек внимание общественности к этой проблеме, организовал и возглавил комиссию по обследованию земель Петербургской губернии, процессу возникновения природно-антропогенных урбоэкосистем, особенностям их составляющих и рациональному использованию ресурсов мегаполисов до настоящего времени уделялось мало внимания. Устойчивость экосистемы Москвы и Екатеринбурга изучались рядом ученых (Батаркевич, 1998; Голосова, 1987; Горохов, 2005; Кочарян, 2000; Добровольский, Строганова, 1997; Зеликов, 1998, Вершинин, 2005 и др.), но в этих работах отсутствует комплексность исследования. В Санкт-Петербурге слабо изучено экологическое состояние почвы и растительности (Капелькина, 1974; Мельничук, 1990; Фролов, 1998; Минкевич, 2002; Ковязин, 2004, 2008). Системные исследования экосистем мегаполиса и разработка мероприятий по формированию и рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов не проводились. Проблема повышения устойчивости экосистем и рационального использования почвенно-растительных ресурсов Санкт-Петербурга исследуется нами впервые.

В настоящее время в Санкт-Петербурге отсутствуют сведения о видовом составе, экологическом состоянии и кадастровой оценке насаждений. Слабо исследованы экологические последствия применения технических средств и механизированных технологий формирования лесопарковых насаждений (Жоков, 1972; Казанская, 1977; Журин, 1978; Иванова, 1978). К ухудшению экологического состояния насаждений приводят бессистемная посадка растений в малоплодородную, загрязненную почву, на подземные коммуникации, что снижает биосферные и санитарно-гигиенические функции фитоценозов (Гальперин, 1967; Гаврилов, 1975; Гусев, 1985; Атрохин, 1991). В Санкт-Петербурге наблюдается резкое сокращение площадей насаждений по причине уплотнительной застройки городской территории, ухудшение физико-химических свойств почвогрунтов, изменения микроклимата и экологической обстановки в мегаполисе в целом. Кроме того, сокращается финансирование на восстановление нарушенных и создание новых городских насаждений. В связи с этим особенно необходимы исследования по оптимизации размещения и состава фитоценозов, по экологической оценке современных технологий проведения природоохранных и санитарно-оздоровительных мероприятий в лесопарковых зонах.

По мнению экспертов, специалистов Управления садово-паркового хозяйства, для обоснования хозяйственных мероприятий в городских экосистемах необходимо знать: а) дендрометрические показатели растений (видовой состав фитоценоза, высота, диаметр, возраст древесных пород, объем древесной массы) и б) результаты проведения санитарно-гигиенической и эстетической оценки, показатели санитарного состояния, устойчивости насаждений к антропогенному воздействию и кадастр городских насаждений. Также нужны атрибутивная и картографическая базы данных городских экосистем для действенного и результативного использования информационного обеспечения. База данных должна составляться с использованием современных ГИС-технологий. Дендрометрические показатели деревьев и состояние растительности являются также критериями экологического состояния городских экосистем (Яновский, 1994; Антипов 2000; Минкевич, 2004, Ковязин, 2008). Решение перечисленных выше задач и было положено в основу наших исследований.

Актуальность проблемы заключается в необходимости повышения устойчивости экосистем и рационального использования почвеннорастительных ресурсов мегаполисов. Решение этой проблемы позволит создать благоприятную экологическую обстановку в крупных промышленных центрах с учетом современных требований Земельного (2001), Градостроительного (2002) и Лесного (2006) Кодексов РФ, концепции устойчивого управления лесопарками (Рослесхоз, 1998), лесной политики стран Совета Европы (JUCN, 1996-1999), решений мирового сообщества по охране природы, Конвенции о биологическом разнообразии (Rio, 1992) и постановлениями саммита премьер-министров европейских стран (Хельсинки, 1993,1995, 1997).

Цель исследования заключалась в разработке на экосистемном уровне теоретических основ и научно-обоснованных мероприятий по формированию устойчивых урбанизированных биологических систем и рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- оценить устойчивость почвенно-растительного комплекса городских экосистем в зависимости от природных и антропогенных факторов, влияющих на их формирование и развитие;

- исследовать зависимость состава и продуктивности насаждений от физико-химических свойств почв городских экосистем;

- оценить видовое разнообразие растений в экосистемах разной степени урбанизации;

- установить взаимосвязи между дендрометрическими показателями деревьев в зеленых насаждениях экосистем разной степени урбанизации;

- обосновать эколого-хозяйственные методы формирования устойчивых городских экосистем, с учетом степени их урбанизации, почвенно-климатических особенностей и видового разнообразия насаждений;

- выявить последствия применения современных технологий при формировании устойчивых городских экосистем;

- разработать кадастр зеленых насаждений урбоэкосистем;

- разработать рекомендации по рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов.

Научная новизна. В работе впервые:

- дана классификация городских экосистем, основанная на морфологических и экологических особенностях антропогенного биотопа;

- разработаны концепция и принципы формирования устойчивых экосистем;

- проведена оценка экологического состояния растительности мегаполиса по ботаническим, биохимическим, почвенным, пространственным и динамическим критериям с учетом степени антропогенного изменения экосистем;

- разработаны критерии и выявлены основные дестабилизирующие факторы устойчивости городских экосистем различной степени урбанизации;

- дана оценка дендрофлористического разнообразия биотопов мегаэкосистемы, различающихся почвенно-климатическими условиями и уровнем урбанизации;

- обоснованы кадастровые показатели почвенно-растительного комплекса урбоэкосистем, разработан кадастр зеленых насаждений, предложена модель его информационного обеспечения.

Методология исследований. В качестве методологической основы использован метод полевых исследований на пробных (учетных) площадях и сплошной учет растительности в экосистемах разной степени урбанизации.

Все измерения осуществлены стандартными методами, принятыми в биологии, почвоведении, сельском и лесном хозяйствах, таксации и геодезии. При обработке материалов использованы приемы создания компьютерных баз данных, с применением ГИС-технологий, методы регрессионного и факторного анализов. Математическая и статистическая обработка результатов исследований проводились с помощью прикладных программ Excel (2003), Statistica 6,0. Составление почвенно-растительных карт и учет растений выполнены по разработанной компьютерной программе баз данных, с разделением их по видовому составу, экологическому состоянию, с учетом стоимости объекта.

Практическая значимость работы. Работа выполнялась в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР по темам и заданиям Рособрнауки РФ и Комитета благоустройства и дорожного хозяйства Правительства Санкт-Петербурга. Разработаны рекомендации по формированию устойчивых экосистем и реализованы проекты многоцелевых стационаров, экологических троп и познавательных маршрутов в лесопарках.

Составлены атрибутивная и картографическая базы данных городских насаждений с применением ГИС технологий и даны рекомендации по рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов. Разработаны учебные программы и теоретические курсы для средних и высших образовательных учреждений по рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов.

Документация, составленная по результатам исследования, обеспечила Комитеты Правительства Санкт-Петербурга и региональное агентство по лесному хозяйству полными сведениями о дендрометрических показателях и видовом составе растительности, свойствах городской почвы, устойчивости природных экосистем, современных технологиях и экологических последствиях формирования лесопарков, а также таксационными описаниями древостоев, лесными и почвенными картами.

Личный вклад автора. Все материалы диссертационной работы собраны при непосредственном участии или под руководством автора. Обработка материала, анализ результатов и формулирование выводов проведены лично автором. При сборе экспериментальных данных участвовали И. И. Минкевич, Н. В. Беляева, М. Е. Скачкова, студенты - дипломники, выражаю им большую благодарность.

Всего за двадцатипятилетний период исследования изучено 34 объекта городских и лесопарковых насаждений Санкт-Петербурга площадью 1443,8 га, учтено 18365 деревьев и 10389 кустарников, заложено 53 почвенных разреза, проведено 265 анализов почвы.

Апробация работы. Основные положения диссертации, рекомендации и основные выводы докладывались на международных и всероссийских конференциях и семинарах в следующих регионах:

- Москва: «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (1987);

- Санкт-Петербург: «Лесоводственные способы формирования и оценки насаждений эксплуатационного и рекреационного назначения» (1989), «Научно-технические разработки лесного комплекса» (1989), «Научно-технический прогресс в областях лесного комплекса» (1990), «Проблемы лесоведения и лесной экологии» (1990), «Состояние и перспективы особо охраняемых природных территорий» (1997), «Экологические проблемы Балтийского региона и экологическое образование» (1997), «Проблемы ботаники на рубеже ХХ-ХХ1 веков» (1998), «Теория и практика экологического мониторинга в образовательных учреждениях» (1999), «Отечественный и зарубежный опыт образования в области окружающей среды» (1999), «Лесоводство Севера на рубеже столетий» (2000), «Актуальные вопросы повышения эффективности деятельности предприятий лесопромышленного комплекса» (2001), «Молодежь, образование, экология, ноосфера» (2001), «Аэрокосмические методы в лесном комплексе» (2002), «Экология и развитие Северо-Запада России» (2002), «Научно-технический прогресс в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве» (2004, 2007). «Спасем дыхание Планеты» (2007); «Фестиваль цветов и ландшафта» (2008), «Почвенные ресурсы Северо-запада России: их состояние, охрана и рациональное использование» (2008), семинары: в СПбГАУ (2005), АФИ (2006, 2007, 2008) и РГГМУ (2007).

- Республика Беларусь (Гомель): «Рациональное использование и воспроизводство лесных ресурсов в системе устойчивого развития» (2007);

- Республика Карелия (Петрозаводск): «Проблемы развития лесного комплекса Северо-Западного региона» (1996), «Биотическая регуляция окружающей среды» (1998);

- Республика Коми (Сыктывкар): «Основные направления научно-технического прогресса в лесном комплексе Коми АССР» (1998), «Эколого-экономические проблемы охраны окружающей среды» (1998);

- Республика Марий-Эл (Йошкар-Ола): «Проблемы использования, воспроизводства и охраны лесных ресурсов» (1989);

- Астрахань: «Непрерывное экологическое образование от дошкольного уровня до уровня повышения квалификации» (1998);

- Брянск: «Лесорастительные свойства и антропогенная динамика лесных почв» (1990), 8-я международная научно-техническая конференция «Лес-2007» (2007); «Актуальные проблемы лесного комплекса» (2007); 9-я международная научно-техническая конференция «Лес-2008»(2008).

- Воронеж: «Восстановление эколого-ресурсного потенциала агролесобиоценозов, лесоразведение и рациональное природопользование в центральной лесостепи и юге России» (2007).

- Екатеринбург: «Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов» (2005);

- Пенза: «Биоразнообразие: проблемы и перспективы сохранения» (2008);

- Сочи: «170 лет со дня рождения основателя сочинского дендрария Сергея Николаевича Худякова» (2007).

Результаты исследований ежегодно докладывались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУВПО Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии и ГОУВПО Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета), на заседаниях отдела светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем ГНУ Агрофизического научно-исследовательского института РАСХН.

Основные теоретические положения научной работы обсуждались с ведущими учеными РАСХН: членом корреспондентом РАСХН И. Б. Усковым, профессорами А. Н. Мартыновым, Е. С. Мурахтановым, И. И. Минкевичем, А. С. Тихоновым, В. Ф. Цветковым, автор приносит им глубокую благодарность за ценные замечания. Особую признательность автор выражает научному консультанту доктору биологических наук Е. В. Канаш.

Реализация результатов работы. Практические рекомендации, составленные по материалам исследований, внедрены в производство Комитетом благоустройства и дорожного хозяйства Правительства Санкт

Петербурга (акт прилагается). Внедрены учебные программы и теоретические курсы для средних и высших образовательных учреждений, ориентированные на использование почвенно-растительных ресурсов мегаполисов.

Защищаемые положения (предмет защиты):

1.По биологическим основам формирования устойчивых экосистем мегаполисов изучены следующие проблемы:

- степень влияния природных и антропогенных факторов на формирование городских экосистем;

- влияние урбанизации на видовое разнообразие растений в городских экосистемах мегаполиса;

-экологическое состояние почвенно-растительного комплекса урбоэкосистем мегаполиса;

- эколого-хозяйственная оценка методов, технологий и агротехнических приемов формирования устойчивых городских экосистем различной степени урбанизации.

2. По рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов разработаны следующие документы:

- модель формирования информационного обеспечения кадастра зеленых насаждений урбоэкосистем с помощью ГИС - технологий;

- рекомендации по рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов.

Публикации. Автором опубликовано более 160 печатных работ. Из них по теме диссертации - 47 работ, включая семь в изданиях, рекомендованных экспертным советом по агрономии и лесному хозяйству.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и библиографического списка из 260 источников. Общий объем диссертации составляет: 358 страниц, 129 таблиц, 82 рисунка и 5 приложений.

Заключение диссертации по теме «Агропочвоведение и агрофизика», Ковязин, Василий Федорович

Выводы по диссертации

1. В экосистемах мегаполиса резко обострены экологические проблемы, ухудшено состояние абиотических и биотических компонентов. Классификация городских экосистем, основанная на сходстве морфологических и экологических признаков антропогенного биотопа, учитывает их площадь и расположение, свойства и степень антропогенной нарушенности. Мегаэкосистема города разделена на макроэкосистему (лесопарки), мезоэкосистему (парки и сады) и микроэкосистему (насаждения селитебных территорий и линейные ценозы).

2. Экологическая обстановка и степень антропогенного изменения экосистем мегаполиса могут быть определены по совокупности специально подобранных критериев, характеризующих состояние растений и городской среды. Апробация данных критериев показала, что при оценке их состояния по ботаническим критериям необходимо учитывать изменение видового состава насаждений, продуктивность фитоценоза и степень озелененности городской территории. Биохимическими показателями состояния экосистемы служат отношение С:Ы и содержание тяжелых металлов в листьях растений. При оценке почвенного покрова городских экосистем следует принимать во внимание содержание гумуса, плодородие почв, площадь засоленных и нарушенных (вытоптанных) земель. Пространственный критерий позволяет учесть степень сокращения площадей зеленых насаждений мегаполиса, а динамический - скорость нарастания экологических нарушений.

3. Концепция формирования устойчивых экосистем мегаполиса основана на теоретическом обосновании и рекомендациях по формированию экосистем, отвечающих потребностям мегаполиса с одной стороны и приспособленных к экологическим условиям, в которых они развиваются, с другой. Исходные положения концепции заключаются в признании древесно-кустарниковой растительности главным компонентом городских экосистем и зависимости свойств их почвенно-растительного комплекса от природных и антропогенных факторов.

4. Характеристики зеленых насаждений, их состава и продуктивности зависят от физико-химических свойств почв городских экосистем. Почвы городских экосистем разного уровня и степени урбанизации - лесопарковых макроэкосистем, мезоэкосистем садов и парков исторической части города, городов-спутников, селитебных территорий и линейных насаждений -существенно различаются. В лесопарках свойства почв близки к природным, не подверженным значительным антропогенным изменениям. В садах и парках преобладают сильно нарушенные почвы, в микроэкосистемах почвы деградированы и насыщены солями. Определяющее влияние на продуктивность насаждений лесопарков и парков оказывают минералогический состав и содержание в почве фосфора и калия, а также влажность и кислотность.

5. Дендрофлора городских экосистем представлена двумястами видами деревьев и кустарников. Видовое разнообразие зеленых насаждений зависит от свойств биотопов мегаэкосистемы и уровня их урбанизации. Видовой состав растений в садах и парках города значительно богаче, чем в умеренно нарушенных лесопарках, и определяется присутствием интродуцентов, степенью загрязнения городской среды, особенностями условий произрастания.

6. Механические повреждения, болезни и вредители растений являются основными дестабилизирующими факторами городских экосистем. Морозные трещины - наиболее распространенный порок ствола лиственных пород в условиях мегаполиса. Широко распространены также другие пороки и патологии растений: сухобочины, наклон ствола и гнили. Хвойные породы в городских условиях менее устойчивы, чем лиственные. Санитарное состояние древесных пород в пригородных парках и лесопарках значительно лучше, чем в зеленых насаждениях исторического центра города. В зеленых насаждениях мегаполиса зарегистрировано 47 видов возбудителей болезней древесных пород, наиболее распространены мучнистая роса, «голландская» болезнь вязов, серно-желтый, ложный дубовый и швейница трутовики.

7. При формировании устойчивых лесопарковых насаждений и кадастровой оценке должны быть учтены дендрометрические показатели деревьев, которые в основном определяются состоянием и формой кроны и показателями ствола. На примере деревьев - лесообразователей, являющихся компонентами урбоэкосистем Санкт-Петербурга, исследованы зависимости между различными дендрометрическими показателями. Обнаружена тесная положительная корреляционная связь между числом сучьев на одном погонном метре и классом бонитета, диаметром и высотой ствола, а также диаметром сучьев. Выявлена доля деревьев с наклоном ствола и эксцентричностью кроны, которая зависит в основном от почвенно-грунтовых условий, силы и направления ветра.

8. При механизированных работах в лесопарках меняется состав лесного опада, уменьшается мощность лесной подстилки и гумусового горизонта, повышается плотность почвы, снижается, особенно в колеях, ее водопроницаемость и биологическая активность. Проведена экологическая оценка применения современных технологий формирования природных экосистем и изучены последствия влияния механизмов и технологий на древостой, подрост, подлесок, живой напочвенный покров и почву.

9. При выполнении кадастровой оценки должны учитываться следующие показатели деревьев: реестровый номер растения; идентификатор породы (биологический вид); возраст; диаметр; высота дерева; площадь, занятая ценозом; баллы оценки санитарно-гигиенического, эстетического состояния; класс устойчивости и происхождение. В кадастр также необходимо включать характеристику почвы: механический состав, кислотность, содержание гумуса и минеральных элементов (азота, калия, фосфора и натрия). В процессе разработки кадастра насаждений городских экосистем была создана геоинформационная база данных «Зеленые насаждения», состоящая из трех частей: атрибутивной базы данных (набор взаимосвязанных таблиц в формате Microsoft Access), интерфейсной части атрибутивной базы данных для формы ввода и редактирования и картографической базы данных визуализации для работы с графическими данными.

10. Для формирования устойчивых городских экосистем и рационального использования почвенно-растительных ресурсов мегаполисов необходимо усовершенствовать систему размещения зеленых насаждений с учетом информации о микроклимате, состоянии почвы и растительности, степени антропогенного изменения экосистем. При разработке проекта развития Санкт-Петербурга внедрить клиновидно-кольцевую схему расположения городских насаждений. При формировании новых и существующих насаждений учитывать весь комплекс мероприятий, предложенных в диссертационной работе.

317

Заключение

1. По результатам диссертационного исследования на экосистемном уровне разработаны теоретические основы и научно-обоснованные мероприятия по формированию устойчивых биологических систем и рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов. Исследования по решению социальной проблемы проводились комплексно (окружающая среда, почва и растительность) на примере Санкт-Петербурга.

2. Впервые дана классификация экосистем в зависимости от степени урбанизации. Глобальные процессы урбанизации и разрастание мегаполисов приводят к формированию на их территориях особых экологических зон, вызванных антропогенными факторами и существенно отличающихся по показателям от окружающих город лесов. При этом изменения на городской территории происходят практически по всему спектру значимых для растений физических параметров окружающей среды: солнечная радиация, температура, влажность воздуха и почвы, количество осадков, ветровой режим и физико-химические свойства почвы. По этой причине состояние фитоценозов ухудшается. В диссертации разработаны концепция и принципы формирования устойчивых экосистем.

3. В Санкт-Петербурге загрязнена атмосфера, основной загрязнитель воздуха - автотранспорт, на долю которого приходится до 85% всех выбросов вредных веществ. Выхлопные газы нарушают обмен веществ, уменьшают рост молодых побегов, ускоряют пожелтение и опадение листьев. Наибольшая степень загрязнения воздуха отмечается в центральных районах города, где проходят крупные автомагистрали и сосредоточены промышленные предприятия. В воздухе агломерации накапливается диоксид серы, оксид азота, которые, взаимодействуя с атмосферной влагой, образуют «кислотные» дожди, они пагубно действуют на растения, вызывая повреждение фотосинтетического аппарата и снижая плодородие почвы.

4. Городские почвы содержат строительный мусор, загрязнены тяжелыми металлами, содержание которых в центре города превышает допустимые концентрации в несколько раз. Значительную роль в загрязнении почвы играют эмиссии соединений свинца, цинка, меди, азота, хлора и углеводородов. Загрязнение почв носит площадной характер и связано с транспортом, отоплением, деятельностью промышленных предприятий. Качество почв по показателю суммарного загрязнения, существенно варьирует по районам города. Наличие свинца в почве ослабляет функционирование экосистемы, снижается рост наземных и подземных органов, на растениях поселяются фитопатогенные грибы. Возле асфальтированных территорий происходит сильное нагревание верхних слоев почвы, что губительно для корней растений, высаженных возле улиц. Зимой городские почвы, не защищенные листовым опадом и снегом, промерзают на большую глубину, чем в лесопарках. «Запечатанные» в асфальт городские почвы не получают атмосферных осадков, которые стекают в канализацию, а не поступают к растениям.

5. Насаждения являются единственным природным компонентом городской экосистемы, способным защитить и улучшить качество среды обитания живых организмов. Рационально используя почвенно-растительные ресурсы, можно значительно оздоровить урбанизированную среду мегаполиса. Природные ресурсы Санкт-Петербурга нами впервые классифицированы по морфологическим признакам и экологическому состоянию почвы и растительности на 3 типа: макро-, мезо-, микроэкосистемы. Выделенные экосистемы различаются степенью антропогенного воздействия, биологической продуктивностью, устойчивостью и тактикой сестайнинга. С учетом антропогенного воздействия подобраны объекты исследования: лесопарки, парки, сады, насаждения селитебных территорий и линейные посадки деревьев, экосистемы различных уровней, расположенные в разных экополярных зонах Санкт-Петербурга.

6. Мы впервые оценили степень антропогенного воздействия на экосистемы комплексно, применяя несколько критериев: ботанический, биохимический, почвенный, пространственный и динамический. По этим критериям в Санкт-Петербурге выделены четыре зоны антропогенного воздействия: умеренно нарушенные фитоценозы (лесопарки), средне нарушенные насаждения (сады и парки), сильно нарушенные ценозы (насаждения селитебных территорий) и деградированные участки растительности (линейные насаждения).

7. Видовое разнообразие растений - одно из условий стабильности экосистемы, критерий и индикатор устойчивости управления растительным фондом мегаполиса. Видовое разнообразие лесопарковых максиэкосистем зависит от сочетания экологических факторов: трофотопов и гигротопов (плодородия и гидрологического режима почвы). Во влажных и сухих лесорастительных условиях количество видов сокращается в 1,5-2,0 раза по сравнению с почвенным оптимумом. Видовой состав растений городской экосистемы определяется не столько природными и экологическими условиями, сколько деятельностью человека. В городе встречаются представители местной флоры, адвентивные виды и интродуценты. В мезоэкосистеме наиболее богаты по видовому составу насаждения городов -спутников (исторические и мемориальные парки), а растительные сообщества представлены в большинстве случаев монокультурой (одним или двумя видами).

8. Дендрофлористическое разнообразие насаждений оценено различными индексами. Индекс Жаккара подтвердил высокий коэффициент флористического сходства городских экосистем (92,3-100%). Индекс доминирования Симпсона свидетельствует о высоком совпадении видов в сравниваемых фитоценозах. Значения видового богатства экосистем обеспечены высокой долей видов - интродуцентов и показывают относительное доминирование одного (или немногих) видов в общей численности растительных фитоценозов. Наряду со снижением видового богатства закономерно уменьшаются и показатели видового разнообразия Шеннона.

9. При решении проблемы основное внимание уделялось почвенно-растительным ресурсам. Состояние урбоэкосистем зависит от физико-химических свойств почвы. Нами в историческом центре Санкт-Петербурга выделены три степени нарушенности почв: сильная, средняя и слабая. До 43% территории занято сильно нарушенными почвами, в строении почвенного профиля которых присутствуют насыпные гумусовые слои мощностью от 18 до 59 см, а также погребенные органо-минеральные горизонты. На кислотность почв влияют отходы строительных материалов (щебень, известь и пр.). Средне нарушенные почвы характеризуются как антропогенно-насыпные разновидности, обладающие мощным гумусово-аккумулятивным горизонтом мощностью до 50 см. Слабо нарушенные почвы обладают дифференцированным профилем, состоящим из нескольких горизонтов. Многолетние исследования показали, что почвенный покров парков исторического центра Санкт-Петербурга составляют дерновые супесчаные или связно песчаные глееватые и глеевые почвы, залегающие на песчаных дельтовых отложениях.

10. Установлено, что ведущую роль в дестабилизации растительности играют болезни и разного рода патологии. Основным повреждением являются морозные трещины. Доля поврежденных деревьев колеблется от 10 до 31%. Морозные трещины являются причиной образования гнилей древесины и повышают вероятность появления бурелома и даже ветровала. Основными дереворазрушающими грибами являются трутовики: серно-желтый и Швейница. На листьях растений отмечена мучнистая роса (до 83%), пятнистость (до 32%), ржавчина (до 15%) и краевой некроз (до 64%>). Кроме гнилей растения имеют патологию ствола в виде механических повреждений, морозобоин и наклона ствола. На древесных породах отмечаются однобокость кроны, суховершинность, сухобочины, наросты на стволе. Кустарники более устойчивы в городских условиях, чем деревья. Массовых очагов вредителей в городских насаждениях не обнаружено, но встретилось несколько видов насекомых. Наибольшее число видов насекомых отмечено в чистых линейных насаждениях.

11. Для принятия решений по назначению хозяйственных мероприятий и при разработке кадастра насаждений мегаполиса нужно учесть дендрометрические показатели древесных растений, в частности количество сучьев на погонном метре ствола, естественный наклон ствола и эксцентричность кроны, которые снижают устойчивость и декоративность городских фитоценозов.

12. Механизированные технологии, применяемые при формировании лесопарковых экосистем, воздействуют на компоненты лесного биогеоценоза: древостой, подрост, подлесок, напочвенный покров и почву. После разреживания древостоя и удаления больных экземпляров уменьшается масса опада, меняется его фракционный состав, активизируется деятельность почвенных ферментов - инвертазы, уреазы и протеазы, которые являются катализаторами распада подстилки.

13. После прохода трактора по волоку при рубках образуется колея, размеры которой определяются несущей способностью почвы, числом проходов и удельным давлением техники на грунт. При увеличении влажности почвы отрицательное воздействие движителей усиливается. Остаточная деформация накапливается, что приводит к прогрессирующему уплотнению корнеобитаемого слоя почвы, в результате чего снижается прирост растений. Мощность лесной подстилки и гумусового горизонтов на волоке в 1,5-3,0 раза меньше, чем на пасеке. Смешанный горизонт, образованный после трелевки древесины в хлыстах, обогащен органикой, происходит оглеение почвы из-за долговременного избытка воды в колее. Коэффициент фильтрации даже через 10 лет на волоке в 3 раза меньше, чем на контроле, где проход техники не проводился. Такая закономерность характерна для всей зеленомошной группы типов леса. На волоке температура верхних горизонтов почвы выше, чем на пасеке, на 1-5°С. Водопроницаемость почвы на волоке по сравнению с пасекой снижается в 2 раза.

14. При механизированных рубках повреждается часть деревьев. Хлыстовая трелевка древесины гусеничными тракторами повреждает в 3-3,5 раза больше деревьев, чем трелевка сортиментов колесной техникой. Площадь поранений с гнилью и без нее больше в 2,5 раза при хлыстовой трелевке, чем при сортиментной. Значительные площади ран образуются в летний период. Около 80% количества повреждений составляет обдир коры ствола. Уплотнение и ухудшение физических свойств верхних горизонтов почвы волоков отрицательно сказывается на жизнедеятельности мелких корней, которые являются поставщиками воды и элементов питания.

15. При рубках формирования ландшафтов повреждается подрост предварительного возобновления. Сохранность подроста определяется сезоном и технологией работ. Рубки вносят изменения и в живой напочвенный покров. Увеличивается обилие свето- и влаголюбивых видов, в моховом покрове разрастаются сфагновые мхи, исчезают мезофильные виды. Общее проективное покрытие травами достигает 70%, а мхами - 80-90%. Среднее число растений на 1 м возрастает с 2,9 до 4,2 шт. Увеличивается в 1,5 раза биомасса живого напочвенного покрова.

16. Для учета и принятия управленческих решений по рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов необходим кадастр. Нами впервые разработан перечень документов кадастра насаждений. Показатели городских насаждений, необходимых для кадастра, нами установлены впервые методом экспертных оценок. По оценке специалистов Комитета благоустройства и дорожного хозяйства Санкт-Петербурга составлена шкала значимости показателей, выполнен регрессионный анализ, определены уравнения зависимости, а также достоверность аппроксимации коэффициента детерминации уравнений и коэффициент корреляции. Перечисленные показатели явились источником информационного обеспечения кадастра насаждений городских экосистем. Информационное обеспечение состоит из нескольких блоков, детально характеризующих почвенно-растительный комплекс.

17. При кадастровом учете зеленых насаждений необходимо проводить и почвенные исследования. Рекомендации по формированию устойчивых экосистем нами разработаны впервые с учётом физико-химических свойств почвы. В диссертации приведен перечень этих свойств.

18. В качестве основной составляющей информационного обеспечения городских насаждений нами рекомендовано использовать базу данных, которая разработана с использованием ГИС-технологий. С помощью созданной информационной модели можно формировать план хозяйственных мероприятий на любом садово-парковом объекте. С помощью средств ГИС в картографической базе данных можно установить буферные зоны вокруг зданий, сооружений, инженерных коммуникаций, линий электропередач, садово-парковых дорожек в соответствии с законодательно установленным расстоянием до них. Созданная нами база данных позволяет автоматизировать контроль над формированием устойчивых экосистем мегаполиса.

19. На основе материалов, полученных при проведении исследований, мы предложили формировать устойчивую экосистему несколькими путями. Рекомендуем при разработке генерального плана развития Санкт-Петербурга применить клиновидную схему расположения городских экосистем. Путем преобразования существующих насаждений и почв создать экогород или агротехническими приемами улучшить экологического состояния почвенно-растительного комплекса, то есть провести экореставрацию. Разработанные нами кадастр и ГИС-технологии позволяют вести строгий контроль за качественным проведением предлагаемых работ и мониторингом фитоценозов.

20. Основное содержание диссертационных исследований изложено в 47 публикациях, из них семь статей опубликовано в журналах, рекомендованных экспертным Советом ВАК по агрономии и лесному хозяйству. Результаты исследований докладывались на международных и всероссийских научно-практических конференциях в разных регионах Российской Федерации. Разработанные нами рекомендации по формированию устойчивых экосистем и рациональному использованию почвенно-растительных ресурсов мегаполисов внедрены в производство Управлением садово-паркового хозяйства Комитета благоустройства и дорожного хозяйства Правительства Санкт-Петербурга.

Список литературы диссертационного исследования доктор биологических наук Ковязин, Василий Федорович, 2008 год

1. Абутков Б. В. Естественный наклон деревьев в спелых насаждения // Труды ЛТА. 1959. № 89. - С. 45 - 47.

2. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. - 656 с.

3. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий: Методическое руководство. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. - 784 с.

4. Агроэкология / Под ред. В. А. Черникова М.: Колос, 2000. - 534 с.

5. Алексеев А. С. и др. Оценка растительного разнообразия лесных экосистем. СПб.: ООО «APT Юнион», 2002. - 72 с.

6. Алексеев А. С. и др. Устойчивое управление лесным хозяйством. Научные основы и концепции: Учебное пособие. СПб.: СПбГЛТА, 1998.- 222 с.

7. Антипов В. Г. Декоративная дендрология. -Минск, 2000. 280 с.

8. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970.-487 с.

9. Батаркевич И. Л., Морозова И. Л., Санаев С. Б. Влияние химического состава городских почв на состояние древесных насаждений // Экология большого города. Вып.З.- М.: 1998. С. 62-73.

10. Белов С. В. Количественная оценка гигиенической роли лесов и нормы лесов зеленых зон: Методическое пособие. Л.: ЛенНИИЛХ, 1964. - 65 с.

11. Белов С. В. Лесоводство. М.: Лесная промышленность, 1983. - 350 с.

12. Булыгин Н. Е., Ковязин В. Ф., Мартынов Е. Н. Природа Карельского перешейка: Учебное пособие. СПб.: РИО ЛТА, 2000. - 120 с.

13. Булыгин Н. Е., Ярмишко В. Т. Дендрология. М.: МГУЛ, 2003. - 528 с.

14. Вадюнина А. Ф., Корчагина 3. А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М.: Высшая школа, 1973. - 398 с.

15. Ванин С. И. Лесная фитопатология. Л.: Лестехиздат, 1948. - 354 с.

16. Варава В. И., Ковязин В. Ф. и др. Лесоводственная оценка машин для рубок ухода, работающих без разрубки волоков // Лесное хозяйство. -1991. №12. С. 39-41.

17. Вергунов А. П. Архитектурно-ландшафтная организация крупного города.- Л.: Стройиздат, 1982. 134 с.18