Воздействие низконапорных гидротехнических сооружений на динамику наземных экосистем зоны широколиственных лесов центральной и восточной европы 25. 00. 36 «Геоэкология»

(б) Годы	Период, лет	Количество лет заливания и тенденция				Естественная тенденция	Количество лет заливания и тенденция			Измененная тенденция
Река		Эльба			Саале	заливания	Саале	Эльба		заливания
Гидропост		Дрезден	Торгау	Виттенберг	Бернбург	верхней	Гризене	Барби	Акен	верхней
Период	БС, м	108.5	81.5	68	62.0	поймы	56.2	52.5	56.0	поймы
1856 – 1870	15	8 +				+
1871 – 1884	15	5 –				–
1885 – 1899	15	9 +				+
1900 – 1914	15	1 –	4 –	1 –	4 –	–	1 –	1 –	4 –	–
1915 – 1929	15	6 +	8 +	6 +	6 +	+	3 +	4 +	6 +	+
1930 – 1944	15	2 –	5 –	4 –	3 –	–	3 +	2 –	3 –	–
1945 – 1959	15	6 +	8 +	6 +	5 +	+	2 –	5 +	8 +	+
1960 – 1974	15	2 –	2 –	3 –	2 –	–	1 –	0 –	3 –	–
1975 – 1988	15	6 +	7 +	8 +	5 +	+	2 –	0 –	0 –	– !!!
1989 – 2003	15	4 –	3 –	3 –	2 –	–	2 –	1 –	3 –	– !!!

Таблица 7 . Основные различия процессов и характера их проявления в ландшафтах при эксплуатации высоконапорных (ВГС) и низконапорных (НГС) гидротехнических сооружений.

Таким образом, зарегулирование НГС приводит к стабилизации режима увлажнения и изменению колебаний УГВ в пойме, вызывая изменение всех компонентов экосистем, смену почвенного и растительного покровов.

Для рек бассейнов Эльбы и Сейма выявлены четкие, последовательно чередующиеся 15-летние периоды максимальной и минимальной частоты затопления верхнего пойменного уровня; для деградирующих лесных экосистем верхней поймы которых установлено нарушение в чередовании периодов затопления их местообитаний с конца 70-х годов ХХ века.

Многолетние тренды водности рек в разных регионах имеют различную направленность и должны непременно учитываться при гидротехническом строительстве и планировании природоохранных мероприятий, поскольку в одних регионах они могут усугубить состояние охраняемых экосистем, а в других – поддерживать их сохранение.

Основу растительного покрова и животного населения пойменных областей Эльбы, Дуная и Сейма составляют виды, имеющие значительную толерантность к колебаниям уровня воды в реке (ежедневным, сезонным, годичным) и к высоте разногодичных паводковых затоплений.

В главе представлена классификация пойменной растительности, выполненная на основании собственных полевых материалов, собранных в бассейнах рек Эльбы, Дуная и Сейма в полевые сезоны 1996-2001 годов.

Классификация была выполнена в программе Spss10.0 при помощи кластерного анализа по методу средней связи с использованием коэффициента Жаккара. В работе проанализированы более 800 собственных геоботанических описаний. Установлено, что классификация по коэффициенту Жаккара хорошо отражает внутриформационные связи сообщества, показывая направления сукцессионного развития или антропогенного преобразования сообществ, в то время как анализ геоботанических описаний на основании Эвклидовой дистанции дает хорошие результаты для выделения и классификации различных стадий антропогенных нарушений в растительном покрове. Сходство на основе коэффициента Чекановского лучше отражает связи внутри ассоциаций.

Установлено, что основу пойменной растительности регионов Центральной Европы (бассейны Эльбы и Дуная) и Восточной Европы (бассейн Сейма) составляют одни и те же формации растительности. Для верхних и средних пойменных уровней это, прежде всего, вязово-дубовые (из Quercus robur, Ulmus glabra, U. laevis, U. minor) и ивовые леса (из Salix alba, S. fragilis, S. viminalis, S. triandra, S. purpurea), а также травяные сообщества из двукисточника тростниковидного (Phalaris arundinacea), пырея ползучего (Elytrigia repens), видов мятлика (Poa palustris, P. trivialis, P. pratensis и др.), ежи сборной (Dactylis glomerata), видов лисохвоста (Alopecurus pratensis, A. myosuroides). Самый низкий пойменный уровень занимают формации рогоза (Typha angustifolia), аира (Acorus calamus), тростника (Phragmites australis). При этом конечно, в растительном покрове имеются некоторые отличия, которые, однако, не носят принципиального значения при изучении влияния гидротехнических изменений на экосистемы.

Так, например, в лесных пойменных сообществах Центральной Европы помимо широко распространенного в России ясеня обыкновенного (Fraxinus excelsior), встречаются некоторые американские виды F. pennsylvanica и F. ornus. Они характерны только для облесенных вновь территорий или при самосеве с ранее облесенных участков. Эдификаторной роли в пойменных сообществах естественных заповедных территорий Эльбы и Дуная эти виды, практически, не играют. Существуют так же некоторые отличия в пойменной луговой флоре Центральной и Восточной Европы. Но и здесь, в основном, на уровне отдельных видов, которые не являются эдификаторами травостоя.

Установлено, что наиболее важным для функционирования естественных пойменных лесных и кустарниковых экосистем является характер и ритмы почво-грунтового увлажнения, определяющие протекание физико-химических процессов в пойменных почвах.

Естественные лесные и кустарниковые экосистемы верхнего, среднего и нижнего пойменного уровня (а также производные от них луговые экосистемы) хорошего и удовлетворительного состояния (рис. 3) характеризуются:

• 
  значительной амплитудой колебания уровня грунтовых вод в пойменных почвах (для верхних пойм не менее 4.5-5.5 м, для средних – не менее 3-3.5 м; для нижних – не менее 1-1.5 м), которое обеспечивается достаточно большой амплитудой колебания уровней воды в русле реки;
  
• 
  ненарушенной периодичностью паводкового затопления соответствующих местообитаний:
  

• 
  для верхних пойм – с постоянным чередование 15-летних периодов частого и редкого затопления верхней поймы (2-4 раза за 15 лет для периодов с редкими затоплениями и 6-10 раз за 15 лет для периодов с частыми затоплениями);
  
• 
  для средних пойм – почти ежегодное;
  
• 
  для нижней поймы – ежегодное;
  

• 
  прямым характером падения безнапорных грунтовых вод в меженный период – от водораздела к бортам русла;
  

Рис. 3. Распределение уровней грунтовых вод в пойме и воды в реке Эльба за многолетние периоды на модельном экологическом профиле Акен правого берега (275 км реки), заповедника “Средняя Эльба”. Условные обозначения: 1 – рельеф (нивелир.); 2-8 – УВ и ГВ (измеренные и тренд), 2 – ГВ в межень (20.05.1998), 3 – ГВ при среднегодовом значении УВ (18.05.1999), 4 – ГВ в начальную фазу паводка (25.07.2001), 5 – УВ 20.05.1998 – 51.14 м (межень), 6 – УВ 18.05.1999 – 51.91 м (среднегод.), 7 – УВ 25.07.2001 – 52.68 м (начальная фаза паводка), 8 – наибольший (абсолютный максимальный) УВ в 1998 г. (54.23 м); 9-10 средние многолетние УВ за периоды 1896-1930 гг. (52.87 м) и 1967-2001 гг. (52.39 м); 11-12 – средние наибольшие УВ за многолетние периоды 1896-1930 гг. (55.79 м) и 1967-2001 гг. (53.9 м); 13-14 – наибольшие (абс. макс.) УВ за многолетние периоды 1896-1930 гг. (57.24 м) и 1967-2001 гг. (56.35 м). А – Рельеф: 1 – русло реки, 2-6 – первый пойменный уровень, 2 – песчаная коса, 3 – прирусловое понижение, 4 – пойменное понижение, 5 – выположенная пойма, 6 – притеррасное понижение, 7-11 – второй пойменный уровень, 7 – выположенная центральная (2-ая) пойма, 8 – русло обсохшего старичного понижения, 9 – песчаная грива, 10 – гривистая (2-ая) пойма, 11 – понижение (2-ой) поймы, 12-14 – третий (верхний) пойменный уровень, 12 – склон (третьей) поймы, 13 – пойменное понижение, 14 – выположенная (3-я) пойма; Б – почвы: 1 – аллювиальные слабосформированные, 2 – аллювиальные лугово-болотные, 3 – аллювиальные дерновые слоистые примитивные, 4 – аллювиальные дерновые, 5 – аллювиальные луговые, 6 – аллювиальные дерново-луговые (аллювиальный бурозем по немецкой классификации); В – растительность: 1 – прибрежно-водная – осоковая, 2 – луговая травяная (луг. трав.) – злаковая мятликовая, 3 – луг. трав. – злаковая двукисточниковая, 4 – древесная (древ.) – ивовая (ивы белой), 5 – луг. трав. – злаковая пырейная, 6 – луг. трав. – злаковая лисохвостовая, 7 – древ. – ясеневая, 8 – древ. – дубовая, 9 – луг. трав. – злаковая райграсовая; Г – номера ассоциаций (по таблице 4.1 в основном тексте диссертации). Обозначения растительности: 1 – Salix alba, 2 – Quercus robur, 3 – Fraxinus excelsior, 4 – Rubus caesius, 5 – Phalaris arundinacea, 6 – Elytrigia repens+Lolium perrene, 7 – Alopecurus pratensis+Poa palustris, 8 – Carex gracilis.

• 
  значительным видовым разнообразием и сложной структурной организацией сообществ (не менее 3-х – 4-х ярусов в сообществах).
  

Таблица 8. Изменение флористического состава экосистем постоянных модельных участков экологического профиля Банищанская дача (р. Сейм) в естественных условиях (без влияния регулирования стока) с 1996 по 2001 годы.

При разработке диагностики трансформаций природных комплексов речных долин на основе представлений о стадийности процессов, были выявлены растения индикаторы изменений пойменного режима при зарегулировании НГС, установлено индикационное значение изменений структуры сообществ, а также оценена степень опасности нарушений в пойменных экосистемах и необходимость восстановительных мероприятий в поймах от воздействия НГС.

В поймах недавно зарегулированных участков реки (с 1994 г.), уже спустя 2, 3, 4 и 5 лет после ввода в строй плотины Штраубинг установлено чрезвычайно сильное отрицательное воздействие зарегулирования на заповедные экосистемы, которое несомненно будет нарастать со временем. Почти полностью погибли (вымокли) кустарниковые и лесные сообщества из ивы (Salix alba, S. triandra, S. wiminalis, S. purpurea) и травяные тростниковые заросли (Phragmites australis) нижнего пойменного уровня. По повышениям идет активное внедрение гидроморфных и сорных видов растений: Polygonum amphibium, P. hydropiper, Cirsium arvense, Carduus crispus, C. personata, Rumex spp., Thalictrum spp., Filipendula ulmaria. Установился статичный режим колебаний УГВ не только по сезонам, но и по годам, даже несмотря на различия во флюктуациях водности реки Дунай (рис. 4). В связи с активизацией фильтрационного процесса значительно повысился УГВ в прирусловой части поймы, а направление потока УГВ в течении всего года – обратное естественному (рис. 4): от бортов русла к водоразделу. В почвах повсеместно наблюдается образование глеевых горизонтов в верхних частях почвенных профилей (с глубины 10-30 см) и их продвижение (рост) вверх по профилю. Сокращается обилие и видовое разнообразие растительности на типичных и суходольных лугах.

Выявлено начало антропогенно-обусловленного заболачивания (болотного процесса) и установлена чрезвычайно высокая скорость изменения почв и растительности в трех заповедниках: “Пфаттерау”, “Гмюндерау”, “Оберауершляйфе”. В случае полного зарегулирования последнего свободнотекущего участка реки Дунай при современной плавной тенденции повышения общей водности реки в ближайшие годы здесь исчезнут все типичные пойменные экосистемы, редкие сообщества, виды растений и животных.

В бассейне средней Эльбы (Восточная Германия). Условия функционирования экосистем в пойме р. Эльбы более всего близки к естественным. Установлено, что в пойме Саале – полностью зарегулированного притока реки Эльбы, отсутствует естественный ход направленной (долговременной) динамики растительности и почвенного покрова. Вследствие полного зарегулирования реки Сале, резко изменилась сезонная динамика уровней речной воды, что сильно повлияло на естественный поемный режим в долине реки Сале: в пойме зафиксирована

Рис. 4. Негативная тенденция постоянного уклона грунтовых вод (ГВ) в пойменном заповеднике на трансекте Оберауершляйфе (2329.175 км Дуная) в зоне влияния верхнего бьефа плотины Штраубинг. 1 – рельеф (нивелир.), 2 – ГВ в межень 1998 (измеренные значения и тренд), 3 – ГВ в паводок 1999 г., 4 – ГВ 2000 г. (в период среднегод. знач. УВ), 5 – ГВ 2001 г. (в период среднегод. знач. УВ), 6 – УВ в межень 1998 г., 7 – УВ в паводок 1999 г., 8 – УВ 2000 г. (в период среднегод. знач.), 9 – УВ 2001 г. (в период среднегод. знач.), 10 – абсолютный максимальный УВ 1999 г., 11 – абсолютный максимальный УВ 2000 г., 12-16 – обозначения растительности, 12 – ивовая, 13 – ясеневая, 14 – крупнотравная водно-болотная, 15 – луговая травяная, 16 – сорнотравная. А – рельеф: 1 – антропогенно-насыпная песчано-галечниковая противопаводковая дамба, 2 – межгривное понижение верхней поймы (ранее 3-ий, ныне 2-ой пойменный уровень), 3 – грива верхней поймы (р. 3-ий, н. 2-ой п. ур.), 4 – склон гривы верхней поймы на среднюю пойму (р. 2-3-ий, н. 1-2-ой п. ур.), 5 – межгривное понижение центральной (гривистой) поймы (р. 2-ой, н. 1-ый п. ур.), 6 – грива центральной поймы (р. 2-ой, н. 1-ый п. ур.), 7 – склон бывшей центральной поймы на нижнюю пойму (р. 2-ой, н. 1-ый п. ур.), 8 – русло реки; Б – почвы: 1 – аллювиальная дерновая поверхностно и грунтово средне оглеенная, 2 – аллювиальная луговая сильно оглеенная, 3 – аллювиальная лугово-дерновая грунтово средне оглеенная, 4 – аллювиальная болотная, 5 – аллювиальная лугово-болотная, 6 – аллювиальная дерновая сильно оглеенная; В – растительность: 1 – древесная (древ.) – бодяково-крапивово-ясенево-кленово-ивовая, 2 – древ. – мохово-крапивово-ивово-ясеневая погибающая, 3 – крупнотравная водно-болотная на месте погибающей древесной – крапивово-тростниковая в погибающем ивняке, 4 – кустарниковая (куст.) – чертополохово-крапивово-ивовая, 5 – куст. – крапивово-тростниково-ивовая разреженная, 6 – куст. – крапивово-тростниково-ивовая, 7 – луговая травяная (луг. трав.) – мохово-подмаренниково-крапивовая, 8 – куст. – двукисточниково-крапивово-ежевиковая с подростом клена американского, 9 – луг. трав. – разнотравно-злаковая, 10 – луг. трав. – разнотравно-сорнотравно-злаковая, 11 – луг. трав. – бодяково-подмаренниково-злаковая, 12 – луг. трав. – горцово-лапчатковая с участием бодяка, 13 – луг. трав. – тростниково-крапивовая, 14 – луг. трав. – горцово-хвощево-лапчатково-злаковая, 15 – луг. трав. – мохово-горцово-хвощево-злаковая, 16 – луг. трав. – разнотравно-сорнотравно-злаковая, 17 – луг. трав. – крапивово-бодяково-подмаренниково-ежовая, 18 – луг. трав. – злаково-горцово-лапчатковая, 19 – луг. трав. – горцово-бодяково-подмаренниково-злаковая.

малая амплитуда колебания УГВ как по сезонам, так и за многолетний период, а в ландшафтах отмечается активизация болотного процесса, что является причиной гибели типичных вязово-дубовых пойменных лесов, заболачивания лугов, сильного разрастания многолетних сорняков, возникновения и распространение глеевых почв по бывшим средним и верхним уровням поймы.

По сравнению с естественными условиями поемности реки Эльбы, в зарегулированной пойме Саале (профиль Типпельскирхен) относительные колебания УГВ в различные периоды исследования не превышали 1 -2 м. А максимальная амплитуда колебания между УГВ в паводок и осеннюю межень может составлять не более 2-2.4 м для повышенных элементов рельефа и 0.5-1 м – для понижений. В результате строительства НГС на р. Саале УГВ в пойме сократило амплитуду колебания с 4-4.5 м (до зарегулирования) до 2-2.4 м (в настоящее время – при зарегулировании).

Выявленные закономерности в изменении режима речного стока и мезоклимата для бассейна р. Сейм означают повышенные в настоящее время (по сравнению с началом века) уровни воды в реках бассейна р. Сейм в вегетационный период и резкое снижение обводнения верхней пойменной террасы в период весеннего половодья; увеличение годового количества выпадения атмосферных осадков и повышения среднегодовых температур воздуха за счет зимнего периода, наряду с уменьшением сильных морозов и летней жары, что способствует активизации процессов заболачивания в той или иной степени в зависимости от подстилающих пород на всех уровнях поймы, сокращению сезонной амплитуды колебания УГВ, т.е. его относительной стабилизации по сезонам и годам, а также повышению УГВ, особенно вблизи берега. Полевые исследования показали, что в бассейне р. Сейм отмечается тенденция сдвига поемного процесса в сторону заболачивания (рр. Сейм, Тускорь, Свапа, Прутище).

На пониженных частях поймы (нижняя пойма – первый пойменный уровень) ценные разнотравные луговые травостои сменились малоценными, плохопоедаемыми фитоценозами из Carex gracillis, Phalaroides arundinacea, Phragmites australis, Acorus calamus, Deschampsia caespitosa, а на повышенных частях поймы (средняя и верхняя пойма – второй и третий пойменный уровень) – сорными рудеральными маловидовыми сообществами. Основные негативные тенденции в развитии луговых сообществ – это заболачивание и обильное внедрение рудеральных, сорных видов: Cirsium arvense, C. vulgare, Carduus acanthoides, C. pannonicum, Xanthium strumarium, X. albinum, которые оптимально приспособлены к стабильному сезонно повышенному УГВ. В лесных сообществах ухудшилась жизненность основного эдификатора – Quercus robur (суховершинность, сильная пораженность насекомыми-древоточцами), происходит активное внедрение в древесный ярус подроста вяза и ясеня. В травяном ярусе лесов Quercus robur–Tilia cordata отмечается абсолютное доминирование Aegopodium podagraria, а так же большое обилие Equisetum hyemale, E. pratense, Impatiens parviflora, Alliaria pettiolata и Filipendula ulmaria, которые индицируют здесь полное отсутствие паводкового затопления при общем увеличении гидроморфности аллювиальных дерновых почв.

Полученный в процессе работы совокупный анализ экологических натурных данных и статистической обработки гидрологических и метеорологических характеристик позволил установить, что в пойме р. Сейм основной причиной деградации луговых экосистем является стабилизация режима УГВ в вегетационный период и увеличение оглеения верхних почвенных горизонтов из-за повышения уровней воды в реке в период летне-осенне-зимней межени и снижения годовой амплитуды колебания УГВ в пойме. Снижение жизненности древостоев дуба (Quercus robur) на участках высокой поймы связано как с изменением амплитуды колебания УГВ, так и с нарушением частоты затопления высокой поймы в последние 30 лет (табл. 6). Кроме того, увеличение выпадения атмосферных осадков и потепление в зимний период активизируют подъем УГВ и интенсификацию процессов оглеения в корнеобитаемой толще.

Установлено, что в пойме реки Сейм и ее притоков тенденция заболачивания имеет частично естественную природу, а процессы изменений в экосистемах сходны с таковыми на реке Сале (Восточная Германия), где они имеют чисто антропогенный характер. Поскольку в пойме Саале условия поемности сменились довольно резко еще в начале 50-х годов, то и последствия подобных изменений тоже более существенны: там полностью погибли последние ценнейшие пойменные древостои из Quercus–Ulmus, а луга утратили кормовую ценность в 3-4 раза.

На основе многолетних исследований в заповедных территориях речных долин в бассейнах рек Эльба, Дунай и Сейм выявлено, что более менее устойчивое (удовлетворительное) функционирование пойменных экосистем после зарегулирования стока возможно лишь при условии сохранения близкого к естественному характера флуктуаций (ежегодных изменений) в составе сообществ, а степень опасности нарушений от НГС можно оценить по проявлению индикаторных видов-растений в экосистемах (табл. 9)

Анализируя данные мониторинга, касающиеся состава и структуры пойменных экосистем, удалось подтвердить, что высокая флуктуационная изменчивость в растительном сообществе является индикатором сохранности и большей устойчивости для этих интразональных экосистем.

Присутствие постоянных видов растений в сообществах в размере менее 70% (в среднем 55-60%) от ежегодной флоры отдельной модельной площади и менее 50% от общей многолетней флоры сообщества указывает на удовлетворительное состояние наземной пойменной экосистемы и естественный характер флуктуаций в ней (табл. 8).

Если в пойменных сообществах процент постоянных видов растений превышает предельно допустимый уровень (70% от ежегодной флоры и 50% от многолетней флоры) – экосистемы следует считать антропогеннонарушенными, для них следует разрабатывать специальные меры реабилитации (табл. 10).

Антропогенное зарегулирование стока рек существенно изменяет функциональную взаимосвязь элементов рельефа, уровня воды в реке и УГВ в пойме. Бывшие высокие элементы рельефа поймы (третья пойменная терраса) подтапливаются и переходят в современный период (при зарегулировании) в ранг более низких экологических уровней поймы. Это дает начало динамическим изменениям почв и растительности в направлении возрастания гидроморфности.

Таблица 10. Изменение флористического состава экосистем экологического профиля Барятинский лес на антропогенно измененной пойме, в зоне влияния Курчатовского вдхр. (бассейн Сейма) с 1996 по 2001 годы.