Воздействие низконапорных гидротехнических сооружений на динамику наземных экосистем зоны широколиственных лесов Центрального и Восточной Европы - Автореферат

Сегодня известно, что в результате масштабных гидротехнических преобразований основательно нарушаются ландшафты не только в поймах, но и в долинах рек. В то же время влияние на пойменные и дельтовые экосистемы низконапорных гидротехнических сооружений (НГС) с подпорами воды 2-7 м), которые значительно чаще распространены на европейском континенте, изучено недостаточно. Подобные нарушения в ландшафтах имеют неявновыраженный характер, они достаточно ограничены в пространстве (поймой), отличаются затяжными и длительнопротекающими процессами. Факторы так называемого косвенного антропогенного воздействия (изменение гидрологического режима рек и обводненности прилегающих территорий), приводят к полной смене одних экосистем на другие, менее ценные, менее разнообразные и низкопродуктивные. Таким образом, впервые обозначена проблема существенного влияния низконапорных гидротехнических сооружений (НГС), отличающегося значительным запаздыванием во времени проявлений последствий преобразования стока в ландшафтах речных долин для решения которой разработана теория пространственно-временной динамики пойменных экосистем под влиянием НГС.1 Районы полевых исследований в бассейнах: а) Эльбы, б) Сейма, в) Дуная Условные обозначения: a - гидрологические посты в населенных пунктах, б - плотины на реках, в - государственные заповедные территории (1 - Пфаттерау, 2-Гмюндерау, 3-Оберау-шляйфе, 4-Изармюнд, 5-Пильвайхс), г-планируемые государственные заповедники (6 - Мюльхам, 7-Винцер, 8-Острова Вильсхофен), д - государственная граница, е - граница областей России, ж - существующие водохранилища, з - запланированные водохранилища, и - населенные пункты России Подробно рассмотрены геолого-геоморфологическая характеристика, климатические особенности, а также соответствующий набор почв и типов растительности характерные для каждого из рассматриваемых бассейнов. Климатические особенности рассматривались на основе проведенного анализа метеорологических данных, взятых из климатических ежегодников, а также ежедневных климатических данных, поставляемых Россией и Германией во Всемирную Метеорологическую организацию. Происхождение речных долин регионов исследования (Эльбы, Дуная и Сейма) связано с влиянием стока талых ледниковых вод, поэтому сверху плакорные равнины и речные террасы покрыты лессами (Дунай, Сейм) или покровными суглинками (Эльба, Сейм). Среди рельефообразующих пород долин этих рек ведущую роль играют мела и мергели мезозоя, а также песчаники и известняки мезозоя и кайнозоя, поэтому почвообразующие материнские породы в долинах рек региона исследований обладают высокой карбонатностью.Работа базируется на широком комплексе полевых исследований, с использованием инструментальной съемки, с закладкой топо-экологических трансект и профилей в верхних и нижних бьефах плотин, а так же в центральных частях зарегулированных участков рек, на которых проводятся комплексные повторные периодические исследования с использованием разнообразных методов полевого сбора данных и их последующей камеральной обработке (табл. Для того, чтобы оценить влияние НГС на экосистемы, работа выполнялась по двум направлениям: 1) оценивались многолетние изменения атмосферных осадков и речного стока в районах работ, в том числе особенности затопления пойм при зарегулировании и 2) изучались закономерности трансформации природной среды во времени при зарегулировании: определялись основные тенденции развития природных комплексов, устанавливались сообщества-индикаторы и индикационное изменение их структуры, строились эволюционно-динамические ряды природных комплексов для различных режимов функционирования пойм (Кузьмина, 1993; 1997б; 2003; 2005а,б; Кузьмина, Трешкин, 2001). Исходными материалами являются результаты собственных полевых исследований с 1996-2001 год в России и Германии; собранные в архивах и библиотеках гидрологические и климатические данные; материалы, опубликованные в научной литературе; фондовые и картографические материалы Федерального агентства по охране природы Германии BFN и Комитета по землеустройству Курской области (табл. Исследования проводились в разные периоды по водности реки: в межень, в катастрофический летний паводок, при среднем многолетнем Систематизация архивных и полевых материалов и создание отдельных баз данных для: гидрологических характеристик:-среднегод., среднемес., абс. макс. и абс. мин. расходы,-среднегод., среднемес., абс. макс. и абс. мин. уровни; почв:-морфологическое описание почвенных горизонтов по профилям, - количественные данные лабораторных анализов; геоботанических описаний, включающих данные:-адреса, даты, географических координат,-характеристика местообитаний (рельеф, почвы, УГВ),-состав сообществ, обилие и высоту видов, проективное покрытие, ярусную структуру, и др.,-характеристики локального антропогенного воздействия и др.В связи с возникшей проблемой климатических изменений (Будыко, 1977; Кондратьев, 1987; Кононова, Харламова, 1982; Клиге, 2000; Jones, Mann, 2004), для более корректного определения влияния речн

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. Физико-географические условия региона исследований.

1. Разработан алгоритм решения проблемы оценки влияния НГС на наземные пойменные экосистемы, антропогеннотрансформированные вследствие регулирования стока (Кузьмина и др., 2000; 2006; Novikova, Kuz’mina et al., 2001; Кузьмина, 2003; 2005а; 2005б; Kouzmina, 2004; Kouzmina et al., 2004; 2005; Новикова, Кузьмина и др., 2005а; 2005б; 2006), включающий в себя следующие этапы: o анализ изменений водного режима за весь период инструментальных наблюдений (колебание во времени среднегодовых, макс. и мин. уровней и расходов воды) и выявление направленных достоверно значимых трендов (или их отсутствия);

o выявление аналогичных и сезонных изменений атмосферных осадков и температуры воздуха для обследуемых регионов с определением достоверно значимых трендов (или их отсутствия);

o сравнения характеристик водного режима для зарегулированных и незарегулированных (условно “ естественных”) рек и их участков;

o выявления частоты затопления поймы и нарушения этих ритмов (повторяемость затоплений для биотопов различных экологических уровней);

o выявления кризисных значений амплитуды колебания УГВ, на основе сравнения таковой для естественных и нарушенных сообществ;

o выявления нарушения в распределении глеевых горизонтов и характера ожелезнения в почвенном профиле на основе методики индикации почвенных нарушений по морфологическим признакам протекания окислительно-восстановительных реакций;

o построения эволюционно-динамических рядов природных комплексов для различных режимов функционирования пойм;

o выявления растений-индикаторов и индикационной роли структуры сообществ при различных изменениях водного режима.

2. На основе анализа динамики среднегодовых уровней и расходов воды по длиннорядным (60-100 лет) гидрологическим постам на обследуемых реках выявлено существенное влияние естественной многолетней изменчивости водности рек на состояние растительности в поймах.

3. Оценены масштабы негативного влияния низконапорных гидросооружений и небольших водохранилищ на экосистемы пойм, которое достоверно проявляется спустя несколько десятилетий.

4. Зарегулирование стока при строительстве НГС (плотин, шлюзов или их каскадов) приводит к уменьшению естественной амплитуды колебания уровней воды по сезонам и годам и вызывает ряд идентичных последствий в ландшафтах и экосистемах зоны Европейских широколиственных лесов: происходят существенные трансформации в свойствах аллювиальных пойменных почв в сторону грунтового заболачивания и возникновения несвойственного внутрипочвенного и грунтового редуцированного оглеения в верхних частях почвенного профиля, которое наиболее токсично для древесных и кустарниковых видов;

в условиях зарегулирования существенно ухудшается состояние используемых лугов (биоразнообразие и продуктивность) как на верхних, так и на нижних уровнях поймы по сравнению с естественными условиями функционирования пойменных экосистем: в 3-4 раза снижается продуктивность лугов, обильно внедряются и разрастаются околоводные и рудеральные виды растений, особенно Polygonum amphybium, Cirsium arvense, С. vulgare, Equisetum arvense, Xanthium strumarium, Potentilla anserina, P. reptans, Carduus crispus, C. personata, Crepis biennis, C. tectorum, Urtica dioica, Rumex spp., появление которых даже в среднем обилии (sol gr-sp) на лугах средних и высоких уровней пойм уже следует считать индикаторами начальных стадий повышения и стабилизации почвенно-грунтового увлажнения, т.е. антропогенного заболачивания;

устанавливается равное положение УГВ под лесными и луговыми сообществами, а колебания УГВ по сезонам значительно сокращаются, и часто не превышают амплитуды в 1-2 м, что абсолютно недопустимо для средних и верхних пойм;

происходит ухудшение состояния популяций пойменных дубрав и их полная гибель; ценнейшие, типичные и наиболее разнообразные вязово-дубовые леса (из Quercus и Ulmus) планомерно исчезают с Европейской равнины изза возникновения токсичного глея в верхних (менее 1-1.5 м) горизонтах почв;

на всех элементах рельефа пойм возникает нетипичный процесс формирования новых сообществ переувлажненных местообитаний.

5. Современная динамика пойменных экосистем зоны широколиственных лесов Центральной и Восточной Европы имеет много общего в естественных и в антропогенных сменах и определяется в основном региональными антропогенными изменениями, связанными с гидротехническими сооружениями и зарегулированием речного стока. Для пойменных экосистем наиболее негативными проявлениями влияния НГС являются: стабилизация режима УГВ в поймах изза выравнивания УВ в реках, изменение паводкового влияния, повышение общей обводненности поймы, изменение характера и интенсивности почвообразования, изменения структурно-функциональной организации экосистем. Возникающий сукцессионный процесс зависит от интенсивности и продолжительности антропогенного воздействия, скорости протекания процессов, а так же от степени зарегулированности реки.

6. Основными биологическими показателями-индикаторами устойчивости экосистем и экотонной системы водных объектов с измененным гидрологическим режимом, которые могут быть выражены количественными характеристиками, являются: -наличие первичных сукцессий на первичных формах пойменного ландшафта;

-наличие различий в составе и структуре экосистем на разных экологических (пойменных) уровнях;

-наличие ежегодной изменчивости (флуктуаций) видового состава сообществ;

-наличие основного видового разнообразия экосистем (не менее 75% от общего числа наименьших таксономических единиц) и их продуктивности в пределах географически зональных норм.

7. Установлено, что индикаторами антропогенных преобразований речного стока становятся единые почвенные процессы и одни и те же виды растений, имеющие обширный евразийский ареал. Это может привести в будущем к нивелировке растительного и почвенного покровов пойм, сокращению биоразнообразия, исчезновению индивидуальности пойменных ландшафтов различных регионов.

8. Начальные изменения в экосистемах при зарегулировании НГС выявляются по высокой скорости сукцессионных (необратимых) смен растительности и по быстрому изменению флористического состава в первые годы антропогенных нарушений. При этом чем, ближе (пространственно) расположен участок к НГС, тем выше скорость необратимых изменений в сообществах. В зависимости от удаления от НГС в первые 3-5 лет каждый год меняется более 50% общего видового состава сообществ.

9. Анализ сравнения экосистем малонарушенных участков и территорий, измененных под влиянием НГС, позволил выявить их различия во флуктуационной изменчивости сообществ. Пойменные экосистемы, близкие к естественым, отличаются значительными разногодичными изменениями растительных сообществ и большим видовым разнообразием. Экосистемы, в течении длительного времени сильно нарушенные в результате НГС и зарегулирования стока, отличаются очень слабой флуктуационной изменчивостью и меньшим видовым разнообразием: доля постоянных видов растений здесь обычно превышает предельно допустимый уровень (70% от ежегодной флоры и 50% от многолетней флоры); для этих экосистем следует разрабатывать специальные меры реабилитации.

10. При зарегулировании стока рек НГС невозможно сохранить пойменные и дельтовые экосистемы даже в охраняемых природных резерватах, поскольку коренным образом меняются эдафические условия и режим безнапорных грунтовых вод. Поэтому наиболее эффективной мерой спасения оставшихся пойменных экосистем широколиственной зоны мог бы стать полный мораторий на строительство новых НГС. Для решения проблемы деградации пойменных экосистем уже находящихся под воздействием НГС необходимы в первую очередь следующие основные мероприятия и экологические требования к управлению режимом речного стока: а) максимально возможное приближение к естественному режима регулирования стока: снижение межсезонного выравнивания уровней воды в реках, особенно в вегетационный период и в осеннее-зимнюю межень; осуществление попусков по экологическим показателям на период и в сроки, близкие к естественным паводковым затоплениям поймы (предотвращение несвойственных сбросов воды в осеннее-зимний период, и обеспечение весенне-летних паводков);

б) поддержание многолетней амплитуды колебания УГВ в пойме на уровне не менее 70% от первоначальной естественной нормы, а сокращения стока реки не более чем на 15% от естественного уровня;

в) включение в водоохранную зону рек с наличием НГС не только всего комплекса пойменных экосистем, являющихся целостной экотонной системой “вода-суша”, или склонов надпойменных террас (как это иногда делается сейчас), но и большей части коренных (т.е. надпойменных) террас, на которых со временем, при помощи человека, смогут образоваться близкие к естественным аналоги пойменных древесно-кустарниковых экосистем;

г) применение особого способа ведения лесного хозяйства на участках, подверженных средней и сильной степени деградации экосистем в результате воздействия НГС, который успешно опробован во ВНИАЛМИ для степной и полупустынной зоны.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации В рецензируемых изданиях журналах

1. Кузьмина Ж.В. Оценка последствий изменения режима речного стока для пойменных экосистем при создании малых гидротехнических сооружений на равнинных реках // Метеорология и гидрология. 2005а. №8. С. 89-103.

2. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Современное состояние флоры и растительности заповедника “Бадай-Тугай” в связи с изменением гидрологического режима // Ботанический журнал. т.86. №1. 2001. С. 73-84.

3. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Засоление почв и динамика пойменной - тугайной растительности // Почвоведение. 1997. №6. С. 726-735.

4. Кузьмина Ж.В. Классификация растительности дельты Амударьи // Ботанический журнал. 1997б. Т.82. №1. С. 86-101.

5. Панкова Е.И., Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Влияние грунтовых вод на состояние почвенного и растительного покрова в оазисах Южной Гоби Монголии и перспективы рационального использования земель // Водные ресурсы. 1994. 21. № 3. С. 358-364.

6. Kouzmina J.V., Treshkin S.Y., Avetjan S.A., Henrichfreise A. Assessment of consequences change of river flow regime for floodplain ecosystems under building small and middle hydrotechnical constructions // Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2005. Vol. 53. №1. pp. 3-16.

7. Kouzmina J.V. The impact of natural and human-induced changes in the river flow and the climate on flood plain ecosystems in the middle Elbe river basin // Ecological Engineering and Environment Protection. №2. 2004. pp. 5-15.

8. Kouzmina J., Treshkin S., Henrichfreise A. The Monitoring Comparative Results of the Floodplain Ecosystems in Regulated and Natural Part of the Danube River (Geisling-Passau) // Korean Journal of Ecology. 2004. Vol. 27. № 4. pp. 211-216. монографиях

9. Кузьмина Ж.В. Последствия изменения режима речного стока для пойменных экосистем при создании малых (низконапорных) гидротехнических сооружений на равнинных реках // Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы. М.: Наука, 2005б. С. 134-163.

10. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Прогнозная оценка изменения экосистем при создании крупного коллектора в бассейне Амударьи // Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы. М.: Наука, 2005. С. 316-341.

11. Kuz’mina Zh.V., Treshkin S.Y. Assesment of Effects of Disharged waters upon Ecosystems // Ecology and Ecosystems. Ed. By Igor S.Zektser. Springer science, 2006. pp. 149-160.

12. Kouzmina J.V. Soil Salinization and floodplain Ecosystems of South-West Turkmenistan // Sabkha Ecosystems. Vol. 2. West and Central Asia. Ed. By M. Ajmal Khan et al. Springer science, 2006. pp. 99-111.

В других изданиях: 13. Кузьмина Ж.В. Анализ многолетних метеорологических трендов на Юге России и Украины (от лесостепи до пустынь)// Аридные экосистемы. Т. 13. № 32. 2007. С. 47-61.

14. Кузьмина Ж.В., Новикова Н.М., Подольский С.А. Использование экотонной концепции для обоснования водоохранных зон прибрежных территорий // Аридные экосистемы. Том 12. №30. 2006. С. 104-108.

15. Новикова Н.М., Кузьмина Ж.В., Балюк Т.В., Подольский С.А. Обоснование водоохранных зон на основе экотонной концепции организации прибрежных территорий//Водоохранные зоны: опыт практического применения и целесообразность развития. Федеральное агентство водных ресурсов: НИА-ПРИРОДА, 2006. С. 19-23.

16. Новикова Н.М., Кузьмина Ж.В., Подольский С.А., Балюк Т.В. Экологическое обоснование подходов к нормированию регулирования режима речного стока // Поволжский экологический журнал. №3. 2005. С. 227-240.

17. Новикова Н.М., Браславская Т.Ю., Кузьмина Ж.В., Подольский С.А. Методология и методы изучения и оценки трансформаций экосистем в условиях изменения водного режима территорий // Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы. М.: Наука, 2005. С. 27-40.

18. Новикова Н.М., Кузьмина Ж.В., Подольский С.А., Балюк Т.В. Критерии, ограничивающие регулирование режима речного стока по экологическим показателям // Аридные экосистемы. Том 11. №28. 2005. С. 26-38.

19. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Экологические последствия строительства Южно-Каракалпакского магистрального коллектора//Проблемы освоения пустынь. 2004. 1. С. 13-16.

20. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е., Мамутов Н.К. Влияние климатических изменении и полива на формирование растительности опытным путем в обсохшей части Аральского моря // Аридные экосистемы. Том 9. №21. 2004. С. 82-94.

21. Кузьмина Ж.В. Оценка влияния изменений водного режима на динамику наземных экосистем в долинах европейских рек // Биогеография. №11. 2003. С. 99-109.

22. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Оценка влияния Южно-Каракалпакского магистрального коллектора на заповедник Бадай-Тугай // Аридные экосистемы. Т.9. №19-20. 2003. С. 93-105.

23. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е., Хенрихфрайзе А. Микроочаговые процессы в связи с локальным изменением обводненности территорий // Микроочаговые процессы-индикаторы дестабилизированной среды. М., 2000. С. 26-34.

24. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Особенности развития и сохранения тугайных лесов в связи с цикличностью катастрофических паводков // Сохранение и защита горных лесов. Ош, 1999. С. 38-44.

25. Кузьмина Ж.В. Зависимости показателей структуры растительных сообществ от факторов среды // Экосистемы речных пойм. М., 1997а. С. 544-550.

26. Кузьмина Ж.В. Сохранение генетического разнообразия флоры пойм Юго-Западного Туркменистана // Аридные экосистемы. Т.3. №5. 1997в. С. 102-117.

27. Кузьмина Ж.В. Структура и динамика пойменных экосистем сухих субтропиков Западного Туркменистана // Экосистемы речных пойм. М., 1997г. С. 328-419.

28. Кузьмина Ж.В., Новикова Н.М. Эколого-динамическая характеристика растительных сообществ в дельтах рек Амударья и Сырдарья//Экосистемы речных пойм. М., 1997. С. 472-543.

29. Панкова Е.И., Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Состояние тугайной растительности в оазисах Южной Монголии и перспективы их восстановления // Аридные экосистемы. Т. 2. № 2-3. Москва, 1996. С. 131-144.

30. Бахиев А., Трешкин С.Е., Кузьмина Ж.В. Современное состояние тугаев Каракалпакстана и их охрана. Нукус: Каракалпакстан. 1994. 72 с.

31. Трешкин С.Е., Кузьмина Ж.В. Современное состояние пойменных лесных экосистем рек Амударьи и Сумбара в связи с антропогенным воздействием // Проблемы освоения пустынь. Ашхабад, 1993. № 2. С. 14-19.

32. Бахиев А.Б., Трешкин С.Е., Кузьмина Ж.В. Формирование и развитие тугайной растительности Средней Азии в условиях антропогенного воздействия // Вестник ККО АН Узбекистана. Нукус, 1992. № 4. С. 8-15.

33. Неронов В.М., Кузьмина Ж.В. Об охране генофонда эндемичных видов флоры Монголии // Проблемы освоения пустынь. 1989. № 5. С. 45-51.

34. Novikova N.M., Kuz"mina J.V., Dikareva T.V. et. al. Preservation of the tugai biocomplex diversity within the Amu-Darya and Syr-Darya river deltas in aridization conditions // Ecological research and monitoring of the Aral sea deltas. Boock 2. UNESCO: Pronting Sagraphic, Barcelona, 2001. pp. 155-188.

35. Novikova N.M., Kust G.S., Kuzmina J.V., et. al. Contemporary plant and soil cover changes in the Amu-Dar"ya and Syr-Dar"ya river deltas // Ecological Research and Monitoring of the Aral Sea Deltas. UNESCO: Paris, 1998. pp. 55-80.

Размещено на .ru