На правах рукописи
БОРИСОВА Елена Анатольевна
ОЦЕНКА РЕКРЕАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННОРАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ
ТЕРРИТОРИЙ УДМУРТИИ
Специальность 03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Пермь – 2013
Работа выполнена на кафедре инженерной защиты окружающей среды ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Кургузкин Михаил Георгиевич
Научный консультант: доктор медицинских наук, профессор Пономарев Сергей Борисович
Официальные оппоненты:
Воронов Георгий Анатольевич - доктор географических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», профессор кафедры биогеоценологии и охрана природы Кулагин Алексей Юрьевич - доктор биологических наук, профессор, ФГБУН «Институт биологии Уфимского научного центра РАН», заведующий лабораторией лесоведения
Ведущая организация: ФГБУН «Институт экологии растений и животных УрО РАН»
Защита диссертации состоится 27 июня 2013 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Учёного Совета.
Адрес сайта: http://www.psu.ru E-mail: [email protected] Факс: 8(342) 237-16-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
Автореферат разослан 24 мая 2013 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Н.Л. Шибанова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В современной России потребительское отношение к природе и связанная с ним деградация естественных природных комплексов способствуют усилению потребности в сохранении «дикой», относительно нетронутой природы. Это стимулирует поиск духовно развитой частью общества этикоэкологического стиля жизни, в котором интуитивно обретается утраченное единство (партнёрство) человека с природой. Составной частью такого стиля жизни является рекреационная деятельность.
Согласно современным представлениям, рекреация относится к такому избирательному виду деятельности, который становится необходимым условием нормальной человеческой жизнедеятельности, средством компенсации напряжения, восстановления психофизических и интеллектуальных сил человека. При этом непрерывно возрастающий процесс вовлечения всё большего числа людей в циклы рекреационной деятельности, постоянное расширение и интенсификация использования территорий, охваченных в той или иной степени такого рода деятельностью, приводят к заметным изменениям в природных комплексах. В связи с этим актуализируется проблема оптимизации рекреационных нагрузок на природные комплексы в целях предотвращения их деградации и сохранения рекреационной ёмкости и рекреационной ценности территорий. Все это невозможно без проведения экологической оценки соответствующих территорий, т.е. определения их состояния или степени влияния на них антропогенных факторов.
Сущность данной проблемы сводится к обоснованию оптимальной экологической нагрузки на различные компоненты природных комплексов путём установления нормативов рекреационного воздействия. Это требует, прежде всего, разработки принципов и методов определения рекреационной устойчивости наиболее чувствительных к антропогенным воздействиям природных ресурсов - почвенного и растительного покрова. Важно определить действие фактора рекреации на почвенный покров, на организмы и их сообщества, их ответные реакции и устойчивость (антропотолерантность), а также амплитуду приспособляемости системы к меняющимся условиям среды. Необходимо выявить и описать основные дигрессивные стадии, отражающие различную степень рекреационной нарушенности природных комплексов (биоценозов).
Важность указанных проблем и задач отмечалась многими учеными, результаты исследований которых в той или иной степени находят применение в практике рекреационной деятельности. Работы ряда отечественных и зарубежных ученых и составили теоретическую основу исследования (Казанская, 1977; Рогова, 1977;
Нефедова, 1980; Репшанс, 1987; Николаенко, 1992; Реймерс, 1994; Конашова, 2000;
Мейлах, 2003; Прокошева, 2009; Оборин, Воронов, 2011). Но далеко не все аспекты отношения «рекреант – природные комплексы» рассмотрены в достаточной мере. Все еще остаются малоизученными вопросы комплексного воздействия антропогенных факторов на экологические и физико-биологические особенности почвенного и растительного покрова рекреационных зон. Именно постановкой и решением некоторых аспектов такого рода проблем определяется актуальность данного исследования.
Цель работы - провести интегральную формализованную оценку рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова рекреационных зон особо охраняемых природных территорий (ООПТ) Удмуртской Республики (на примере природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский»).
Задачи исследования:
1. Изучить растительный и почвенный покров рекреационных зон природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».
2. Формализовать оценку рекреационной устойчивости посредством разработки математических моделей.
3. Дать формализованную оценку рекреационной устойчивости почвы и растительности природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский» с использованием разработанных математических моделей.
4. На основе формализованных оценок почвенного и растительного покрова произвести интегральную оценку рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».
5. Разработать рекомендации по оптимизации рекреационной деятельности на исследуемых территориях.
Объект и предмет исследования. Объектом диссертационного исследования является оценка способности территории выдержать рекреационные нагрузки, сохраняя при этом качество самовосстановления природных комплексов.
Предметом исследования является анализ теоретических и эмпирических подходов определения рекреационной устойчивости различных компонентов природных комплексов к рекреационным нагрузкам и их обобщение в виде математических моделей.
Научная новизна. В работе впервые разработаны методы формализации рекреационной устойчивости почвы и растительности на основе построения регрессионных моделей, которые могут позволить объективизировать проектирование рекреационных зон. Новизна методик подтверждена выдачей патентов на изобретения («Способ оценки рекреационного потенциала почвы», регистрация № 2360245 и «Способ оценки рекреационного потенциала растительности», регистрация № 2400967).
Выявлены экологически значимые показатели, отражающие реакцию почвенного покрова и растительности на испытываемые ими воздействия в ходе рекреационной деятельности и обеспечивающие механизмы адаптации. Дана оценка рекреационной устойчивости почвенного и растительного покрова, а также интегральная оценка устойчивости почвенно-растительного покрова в рекреационных зонах природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский».
Теоретическая и практическая значимость. Материалы исследования расширяют и углубляют существующие представления о состоянии растительного и почвенного покрова в рекреационных зонах, о системе критериев и методов оценки их рекреационной устойчивости. Результаты исследования могут способствовать более объективной и адекватной оценке возможностей использования соответствующих территорий и оптимизации рекреационной деятельности. Полученные в результате исследований данные могут быть использованы: при организации и планировании лесопарковых территорий и территорий природных парков; для оценки рекреационной устойчивости почвы и растительности; мониторинга и прогноза возможных изменений вследствие воздействия организованной и стихийной рекреации, а также туризма.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Рекреационную устойчивость растительного и почвенного покрова исследованных особо охраняемых природных территорий Удмуртии можно оценить как среднюю и высокую.
2. Рекреационная устойчивость изученных ООПТ зависит прежде всего от физико-химических свойств почвы и параметров растительного покрова.
3. Разработанные подходы и методы могут применяться для оценки рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова ООПТ Удмуртской Республики.
Личный вклад автора. Автором разработана программа исследований и формализована методика оценки рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова. Все материалы, использованные в диссертации, получены лично автором или при его участии на протяжении 6 лет исследований. Проведены полевые работы и камеральная обработка материала. Проведены анализ, систематизация, обобщение собранного материала, его изложение и оформление диссертации, сформулированы выводы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на межрегиональной научно-практической конференции "Реализация стратегии устойчивого развития города Ижевска: опыт и проблемы" (Ижевск, 2005), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения» (Ижевск, 2005), Международной научной конференции "75 лет высшему образованию в Удмуртии" (Ижевск, 2006), 7-й Всероссийской научнопрактической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов»
(Екатеринбург, 2006), Научно-технической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения и охраны окружающей среды» (Ижевск, 2007), 8-й Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2008), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Производство. Технология. Экология» (Ижевск, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в т.ч. 3 в журналах рекомендуемых ВАК, и получено 2 государственных патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, практических рекомендаций и списка литературы, включающего 200 источников, в том числе 35 на иностранных языках и 4 приложений. Основной текст диссертации изложен на 130 страницах, иллюстрирован 21 рисунком и 11 таблицами, приложение включает 24 страницы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Проблемы рекреационного воздействия на экосистемы и определения рекреационной устойчивости В главе обосновывается актуальность проблемы определения рекреационной устойчивости территорий. Рассмотрены важнейшие факторы рекреационного воздействия на экосистемы и их последствия. Показаны разные уровни нарушенности и соответствующие этому различные стадии дигрессии растительности и деградации природных комплексов в целом. Дан общий обзор подходов и методов изучения рекреационной устойчивости территорий.
Глава 2. Природные условия природного парка «Шаркан» и национального парка «Нечкинский»
В главе показаны особенности почвенного покрова, флоры и растительности, ландшафтов и рекреационного использования района исследований – природного парка (ПП) «Шаркан» и национального парка (НП) «Нечкинский».
Глава 3. Объекты и методы исследования Объектами исследования являются травянистая растительность и почвенный покров, как показатели устойчивости экосистем.
Сроки проведения данных исследований – июль, август – период массового цветения большинства растений.
Исследовано 46 участков, на каждом из которых описано три учетные площадки, которые выбирались сознательно-выборочным способом в наиболее типичных местах (Воронов, 1973). Участки располагались в различных растительных сообществах на территории рекреационных зон ПП «Шаркан» и НП «Нечкинский». На территории ПП «Шаркан» исследованы: район Кар-горы, лагерь экологов, район дер. Большой Белиб, дер. Пужьегурт и дер. Малый Белиб. На территории НП «Нечкинский» исследован правый берег реки Кама: база отдыха «Камские дали», в частности ее горнолыжные спуски, спортлагерь ИжГТУ, район «Змеиной горы» и дачного поселка Галево.
Изучение растительного покрова проводилось в ходе полевых исследований. Тип растительного сообщества определяли по доминирующим видам растений (Домрачева, 1936; Раменский, 1961; Миркин, 1971). На исследуемых территориях закладывались постоянные пробные площадки размером 10х10 метров (Воронов, 1973). Описание растительности проводилось на учетных площадках размером 11 метр. На каждой пробной площадке описывалось по три учетных площадки (Розенберг, Миркин, 2008). Площадки закладывались таким образом, чтобы охватить максимальное разнообразие растительных сообществ, представленных на территории рекреационных зон ПП «Шаркан» и НП «Нечкинский» (Полевой..., 2000). На всех учетных площадках определялся видовой состав растений и их проективное покрытие по шкале Браун-Бланке (Воронов,1972). Определение проводилось как в полевых условиях (в большинстве случаев), так и по гербарным образцам по общедоступным определителям (Алексеев, 1971; Ефимова, 1987; Ефимова и др., 1988;
Маевский, 1964, 2006). Для каждого вида определялся биоморфный состав (Работнов, 1978) и принадлежность к эколого-ценотической группе (Лукичева, Сабуров, 1971). Всего проведено 138 геоботанических описаний.
На исследуемых территориях для характеристики почвенного покрова производился отбор почвенных образцов общепринятым методом конверта на каждой учетной площадке для агрохимического анализа, который включал в себя определение гидролитической и обменной кислотности, суммы поглощенных оснований, органического вещества (гумуса) и подвижного фосфора. Отбор проб почвы производили в соответствии с ГОСТом (ГОСТ 17.4.4.02-84, 1986; РД 52.04.186-89, 1990).
Агрохимический анализ почвы проводили согласно отраслевым стандартам (Методы агрохимических …, 1997). Проведен агрохимический анализ 138 почвенных образцов.
За основу исследования уплотнения почв были взяты испытания грунтов и почв конусными наконечниками (Бахтин, 1971; Ельцов, 1991, 1997). При этом использовался прочномер ЕП-12, снабженный штангами с конусным наконечником 30° диаметром 1,1см. Почвы зондировались вручную до глубины 15см на каждой учетной площадке.
Для обработки полученных данных на первом этапе исследования группе экспертов было предложено оценить вклад в сохранение рекреационной устойчивости почвы следующих показателей: коэффициент антропогенной уплотненности, модуль прочности слоя, содержание в почве органического вещества (гумуса), степень насыщенности почвы основаниями, обменная кислотность, гидролитическая кислотность, сумма поглощенных оснований и содержание подвижного фосфора в почве. Рекреационная устойчивость почвы оценивалась экспертами по пятибалльной системе. Экспертами выступали ученые в области геоботаники и почвоведения Ижевской Государственной сельскохозяйственной академии и Удмуртского Государственного университета (д. с.-х.н., проф. Кузнецов М.Ф., к.б.н., доц. Рылова Н. Г., к.б.н., ст. преп.
Аксенова Н.П., к.т.н., доц. Ельцов Ю.А.).
На основании полученных данных была составлена таблица (в оболочке Exel), отражающая соответствие каждого из показателей качеству рекреационной устойчивости. Далее была построена корреляционная матрица (построение производилось по 50 точкам), в результате чего были определены коэффициенты корреляции между функцией отклика (рекреационная устойчивость почвы) и входными аргументами, а также – между самими аргументами. При этом были обнаружены сильные связи внутри анализируемой системы (в ряде случаев коэффициент корреляции r колебался от 0.837 до 0.963 по модулю). Далее была построена регрессионная модель вида y = b0 + b1 x1 + b2 x 2 + b3 x3... + bi xi. При анализе полученных результатов было выяснено, что для ряда параметров отмечается уровень значимости > 0,05 (степень насыщенности основаниями, сумма поглощенных оснований, гидролитическая кислотность, подвижный фосфор и коэффициент антропогенной уплотненности почвы). В связи с этим была построена вторая регрессионная модель без учета выбывших параметров. Анализ эффективности модели был осуществлен сначала на обучающей выборке.
Для определения рекреационной устойчивости растительности группе экспертов было предложено оценить вклад в сохранение рекреационной устойчивости растительности следующих показателей: число видов, процент луговых и рудеральных видов в травостое, процент многолетних видов. Рекреационная устойчивость растительности оценивалась по пятибалльной системе, как и рекреационная устойчивость почвы. Далее две модели были объединены и получена интегральная модель рекреационной устойчивости почвенно-растительного покрова исследуемых территорий.
Для автоматизации расчетов и систематизированного хранения полученных результатов было разработано программное обеспечение в виде Веб-приложения.
Програмное обеспечение представляет собой набор скриптов, написанных на языке PHP.
В качестве СУБД использован MySQL. Таким образом, разработанное приложение является кросплатформенным, что, несомненно, является его большим плюсом. Ещё один плюс разработанного ПО - простой, интуитивно понятный интерфейс.
Глава 4. Оценка рекреационной устойчивости почвенного покрова Почва является чувствительным и интегральным индикатором состояния всей окружающей среды (Обухов, 1990). Интенсивная антропогенная нагрузка на экосистемы, оказывающая сильное влияние на различные свойства почв, ведет к негативным последствиям. Наиболее характерным среди них являются: деструкция, механическая эрозия и уплотнение почвы. Плотность почвы - это важнейшее ее свойство, от которого зависит газообмен, поступление и передвижение воды, ее запасы в корнеобитаемом слое (Конашова, 2004).
Увеличение плотности приводит к переорганизации естественного сложения почвенного материала поверхностных горизонтов. Исследования показывают, что влияние рекреационных нагрузок приводит к уменьшению гумуса (органического вещества) в почве. Содержание гумуса в почве в большей степени характеризует развитие биоценоза, его влияние на почву. Содержание и состав гумуса – это фактор, отражающий обратную связь в системе «почва-растение (биоценоз)». Агрегаты гумусового горизонта отчасти деформируются, образуя плотную упаковку. Происходит резкое уменьшение общей порозности, ухудшается ее плодородие (Бганцова, 1987).
На более плотных участках почвы увеличиваются физическое испарение и глубина иссушения. При интенсивном длительном (10-15 лет) рекреационном воздействии на поверхности грунтовых дорожек образуется «почвенная корка», препятствующая диффузии почвенного воздуха и способствующая медленному передвижению капиллярной воды, почти лишенной кислорода. В почве начинаются процессы поверхностного оглеения, которые приводят к разрушению почвенной структуры (Карпачевский, 1981).
Под влиянием рекреационных нагрузок происходят существенные изменения агрохимических свойств почвы. На сильно вытоптанных местах ухудшается обеспеченность азотом, подвижными формами фосфора и калия, понижается ферментативная активность и микробиологическая деятельность (Паулюкявичус, 1989). Рекреационное воздействие приводит к уменьшению содержания органического вещества в почве, а также к понижению кислотности (Бондарь, 1984; Бганцова, 1987; Гребенюк, 1989 и др.).
Таким образом, показатели, характеризующие физический, водно-физический и химический состав почвы, служат надёжными критериями для оценки состояния и жизнеспособности биоты и стабильности экосистемы в целом. Поэтому, обязательной составной частью исследования рекреационного воздействия и ответной реакции биогеоценозов является изучение состояния почв, определение той «границы нормы», за пределами которой наступает истощение рекреационной устойчивости экосистемы.
Качество рекреационной устойчивости почвы зависит от многих факторов, суммарное действие которых многоаспектно и труднотрактуемо. В этой связи представляет интерес построение модели, отражающей влияние указанных выше воздействий в комплексе. Создание интегрального показателя, по величине которого можно было бы судить об общей рекреационной устойчивости почвы, представляется при этом важной и актуальной задачей. Построение такого показателя возможно с использованием методов математического моделирования.
При первом шаге построения регрессионной модели аргументы: обменная кислотность (ОК), сумма поглощенных оснований (S), степень насыщенности основаниями (V), содержание обменного фосфора и показатель коэффициента антропогенной уплотненности (К), оказались незначимыми (отмечается уровень значимости > 0,05 ). В связи с этим была построена вторая регрессионная модель без учета выбывших параметров, которая представляет набор аргументов, каждому из которых присваивается вес. Аргументы: W - модуль прочности слоя (кг/кв. см), A содержание органического вещества (гумуса) (%), рН – кислотность (единицы).
Функцией отклика является расчетный индекс рекреационной устойчивости почвы (РУП). Для удобства пользования применяется 5- балльная шкала от 1 до 5. Для каждого показателя был определен коэффициент корреляции с откликом. Методом пошаговой регрессии получено следующее уравнение:
«