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

Кафедра биогеографии Географического факультета МГУ им. Ломоносова

факс (495) 135-54-15.

Ученый секретарь Диссертационного Совета,

Сегодня известно, что в результате масштабных гидротехнических преобразований основательно нарушаются ландшафты не только в поймах, но и в долинах рек. Последствия этих влияний на долинные ландшафты крупных рек таких как Волга, Кама, Днепр, Дон, Шексна и др. отмечается на расстоянии до 100 км вдоль по течению и в полосе до 5-10 км вглубь обоих берегов реки (Авакян, Салтанкин, Шарапов, 1987; Hochwasser…, 1988).

Экологические изменения, вызываемые подобными нарушениями значительно понижают плодородие почв и продуктивность лугов, иногда влияют даже на здоровье населения (Глазовский, 1990; Ильина, 1997; Плисак, 1981; Плисак, Огарь, Султанова, 1989; Новикова, 2005). Поэтому сохранение типичной пойменной растительности во всем мире в последнее время рассматривается как международная проблема (The Plan-European Biological and Landscape Diversity Strategy, 1996; Mitlacher, 1997; Petersen et al., 2000; Novikova et al., 2001).

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. И это связано с объективными причинами. Подобные нарушения в ландшафтах имеют неявновыраженный характер, они достаточно ограничены в пространстве (поймой), отличаются затяжными и длительнопротекающими процессами. Поэтому до сих пор не оценено их влияние на экосистемы. К этому следует добавить, что пойменные ландшафты на большей части Евразии менее исследованы, чем водораздельные территории, в силу их локального распространения и меньшей хозяйственной значимости. При этом очень велика их роль в сохранении разнообразия организмов и сообществ, в поддержании равновесия в круговороте вещества и энергии. Таким образом, актуальность темы заключается в том, что сегодня стало возможным изучение как начальных стадий процессов, так и их отдаленных во времени последствий, связанных с гидротехническими преобразованиями 30-50-х годов. Кроме того, во всем мире пришли к пониманию, что необходим новый подход к выделению и сохранению заповедных территорий в поймах и дельтах. Сегодня стало совершенно ясно, что простые меры охраны против прямого антропогенного воздействия, такого как вырубки, перевыпас, загрязнение, пожары и пр., не способны сохранить экосистемы пойм. При разработке и планировании различных гидротехнических мероприятий необходимо принимать во внимание, что пойменные экосистемы интразональны. Это означает, что в их развитии и функционировании главным является гидрологический фактор. В естественных природных условиях гидрологический режим полностью определяет режим грунтовых вод в пойме, формирование и функционирование экосистем (почвенного и растительного покровов, а так же животного населения). 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. Актуальность темы также определяется необходимостью выработки новых подходов к принципам выделения и поддержания функций именно пойменных заповедников.

В настоящее время сохраняется потребность регулирования рек. При этом требуется анализ и оценка развивающихся во времени и пространстве последствий для природной среды и экономики. На большей части территорий Центральной и Восточной Европы ландшафты речных долин трансформированы в связи со строительством гидротехнических сооружений, нанесен ущерб биоразнообразию, продуктивности и хозяйственной ценности экосистем. Возникла проблема трансформации экосистем речных пойм в условиях зарегулирования речного стока.

Новизна. 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.

При создании низконапорных гидротехнических сооружений в пойменных ландшафтах происходят медленнотекущие (20-50 лет) изменения в цепи геоэкологических связей.

Инициирующими факторами преобразований ландшафтов пойм являются: изменения режима речного стока и режима уровня грунтовых вод (УГВ). Проявлением этого становятся изменения амплитуды колебания УГВ, что является ведущим фактором в цепи экологических изменений в пойме.

В почвенном и растительном покровах ведущими процессами можно считать изменение характера и интенсивности почвообразования, а также структурно-функциональные изменения в организации экосистем, особенно, их основного эдификатора – растительности (на разных экологических уровнях поймы).

Большое количество НГС и повсеместное их распространение приводит к полному преобразованию исходных природных ландшафтов речных долин. Ареалы преобразованных ландшафтов сливаются в единый сплошной контур в пределах отдельных регионов и природных зон. Таким образом, происходит расширение по площади (укрупнение или регионализация) локальных нарушений природной среды под влиянием НГС.

Объектами исследования являются экосистемы речных пойм Германии (средняя Эльба, средний Дунай) и Центральной России (бассейн р.Сейм).

Выбор объектов исследования обусловлен:

• 
  ухудшением состояния пойменных заповедных экосистем Германии и России в последнее время;
  
• 
  расположением речных пойм в пределах одной природной зоны (широколиственных лесов), что дает возможность сравнительного изучения природной среды;
  
• 
  недостаточной изученностью пойменных экосистем вообще и в пределах зоны широколиственных лесов, в частности;
  
• 
  интенсивным хозяйственным использованием поймы человеком.
  

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. 
   Выявление и оценка характера антропогенных изменений речного стока и заливания поймы при создании НГС на фоне естественных гидрологических и климатических флуктуаций в пределах регионов исследования:
   

• 
  анализ изменений водного режима (т.е. колебаний во времени среднегодовых, максимальных и минимальных уровней и расходов воды) за весь период инструментальных наблюдений;
  
• 
  выявление многолетних и сезонных изменений основных климатических характеристик (атмосферных осадков и температуры воздуха: средней, максимальной и минимальной);
  
• 
  определение особенностей заливания пойм при зарегулировании.
  

2. 
   Изучение закономерности трансформации природной среды во времени при зарегулировании:
   

• 
  установление состава природных комплексов пойм и их естественной динамики;
  
• 
  выявление механизмов трансформации природных комплексов;
  
• 
  определение основных тенденций развития природных комплексов при зарегулировании.
  

3. 
   Разработка диагностики трансформаций природных комплексов речных долин на основе представлений о стадийности процессов:
   

• 
  поиск видов растений-индикаторов;
  
• 
  установление сообществ-индикаторов и/или индикационного изменения структуры сообществ;
  
• 
  диагностика микроочаговых проявлений в растительности и почвах;
  
• 
  построение эволюционно-динамических рядов природных комплексов для различных режимов функционирования пойм.
  

4. 
   Разработка научных основ рационального природопользования в поймах рек в условиях зарегулирования НГС:
   

• 
  разработка метода оценки опасности нарушений экосистем от НГС и необходимости восстановительных мероприятий;
  
• 
  разработка стратегии природопользования (долгосрочные мероприятия) в долинах рек при воздействии НГС;
  

1. Воздействие НГС представляет серьезную опасность существованию пойменных наземных экосистем.

2. Алгоритм решения проблемы оценки влияния НГС на наземные пойменные экосистемы, разработанный для проведения оперативного мониторинга антропогеннотрансформированных пойменных ландшафтов, выявления степени нарушенности экосистем и обоснования необходимости восстановительных мероприятий.

2. Динамика пойменной растительности, вызванная строительством НГС имеет единые индикаторы и индицирующие процессы в пределах одной географической зоны.

3. Экосистемы, в течении длительного времени нарушенные в результате создания НГС, отличаются очень слабыми разногодичными изменениями состава растительных сообществ (флуктуациями) и пониженным видовым разнообразием по сравнению с естественными.

4. Обоснованные экологические требования к управлению режимом речного стока, разработанные на основе всестороннего анализа зависимостей гидрологических и эколого-биологических показателей, а также природоохранной ценности территории и приоритетности выбора хозяйственной деятельности, позволяют решить проблему рационального природопользования при эксплуатации и создании НГС.

Выявлены основные виды-индикаторы и индикационные изменения структуры сообществ под влиянием гидротехнического зарегулирования. Установлены эволюционно-динамические ряды природных комплексов для различных режимов функционирования пойм.

Обоснована система незамедлительных мер по сохранению пойменной растительности в среднем течении рек Эльбы, Дуная и их притоков, даны принципиальные рекомендации по рациональному использованию пойменных территорий и восстановлению растительности.

В работах по восстановлению пойменных экосистем необходимо учитывать общую схему динамики пойменной растительности для соответствующей географической зоны (в данном случае для зоны широколиственных лесов), а также частные схемы динамики ассоциаций, установленные в процессе исследований.

Выявленные тенденции изменения растительности позволяют прогнозировать состояние пойменных сообществ при существующем режиме поёмности и почвенно-грунтового увлажнения.

Апробация работы. Результаты исследований по теме докладывались на: научно-практическом семинаре “Водоохранные зоны: опыт практического применения и целесообразность развития” (Москва, 2006), III Международной научно-практической конференции “Экология речных бассейнов: ЭРБ-2005” (Владимир, 2005), XYII интернациональном Ботаническом конгрессе (Вена, 2005), Международной конференции “Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами” (Улан-Удэ, 2004), Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 2003), заседании комиссии биогеографии Московского центра Русского Географического общества (2003), Всероссийской конференции “Актуальные проблемы водохранилищ” (Борок, 2002), II Международной научно-практической конференции “Экология речных бассейнов” (Владимир, 2002), Международном конгрессе Экватек 2002 - Вода: экология и технология (Москва, 2002), на VII и VIII Интернациональном конгрессах экологов (Италия, Флоренция, 1998; Сеул, Корея 2002); IX международном симпозиуме по биоиндикаторам “Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга” (Сыктывкар, 2001), международной конференции “Экологические проблемы бассейнов крупных рек -2” (Тольятти, Россия, 1998); VII интернациональном Дунайском конгрессе (Деггендорф, Германия, 1998) и других симпозиумах и конференциях, а также на расширенном заседании лаборатории Динамики наземных экосистем под влиянием водного фактора Института водных проблем РАН. Основные положения диссертации отражены в 48 статьях и разделах монографий, часть из которых приведена в автореферате, из них 5 опубликованы в журналах рекомендованных ВАКом.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 257 стр. основного (машинописного текста), а также 59 рисунков, 29 таблиц, 50 фотографий. Список литературы включает 325 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. Физико-географические условия региона исследований.

В главе рассмотрены физико-географические условия территорий исследований (рис. 1), находящихся в бассейнах рек Дунай (4905-

а)	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 водо-хранилища, з – запланированные водо-хранилища, и – населен-ные пункты России.
б)
в)
Рис. 1. Районы полевых исследований в бассейнах: а) Эльбы, б) Сейма, в) Дуная.

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). Cреди 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.

Для всех регионов исследований характерны близкие значения многолетних средних и максимальных летних температур воздуха, среднемноголетних годовых значений относительной влажности воздуха (76-79%), среднемноголетнее количество годовых осадков (500-660 мм – бассейн средней Эльбы, 500-600 мм – Сейма, 600-800 – верхнего Дуная), а также преимущественное выпадение атмосферных осадков в летний период (53-65% для бассейна Эльбы; 55-68% – Дуная; 58-65% – Сейма).

Отличительной климатической особенностью зарубежной территории по сравнению с Российской являются значительно более теплые зимы. Среднемноголетние зимние температуры в бассейнах р. Дунай и р. Эльбы составляют +2.0 – +3.3°С, в то время как в бассейне р. Сейм они отрицательны (–3.3°С), причем абсолютные минимальные зимние температуры у нас на 10-13°С ниже. Исключительно более сильными зимними морозами объясняется обеднение видового состава древесного яруса широколиственных лесов Восточной Европы по сравнению с однотипными лесами Западной Европы.

В почвенном покрове бассейнов трех обследуемых рек довольно много различий, которые определяются большей частью разными климатическими характеристиками зимнего периода, а также абсолютно отличными типологией и классификацией почв, принятой в России и Германии. Общим для всех трех регионов исследований является интразональный характер почвенного покрова, который в той или иной степени наследует зональные почвенные черты. Основными зональными вариантами почв для бассейна Эльбы являются оподзоленные буроземы и фальбуроземы, для бассейна Дуная – собственно буроземы и парабуроземы, для бассейна Сейма – светло-серые лесные, а также оподзоленные и выщелоченные черноземы.

Интразональная растительность зоны широколиственных лесов бассейнов трех обследованных рек (Эльбы, Дуная и Сейма) имеет больше общих черт, чем зональная, поскольку влияние водного фактора заметно сужает круг видов растений, обладающих толерантностью к колебаниям УГВ и паводковым затоплениям. В целом, наряду с общей флористической бедностью древесного яруса в широколиственных лесах, Центральноевропейские пойменные леса обладают большим флористическим разнообразием древесного и кустарникового ярусов, по сравнению с Россией.

Методология исследования основывается на структурном и ландшафтно-экологическом подходах, отражающих взаимосвязь внутриландшафтных природных процессов (или внутрисистемных связей).

В основе метода структурного подхода лежит идея целостности изучения системы природных объектов и их современной динамики. (Он обеспечивает возможность комплексного анализа всей совокупности процессов трансформаций природных комплексов).

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. 1).

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 агенства по охране природы Германии BfN и Комитета по землеустройству Курской области (табл. 2).

Исследования проводились в разные периоды по водности реки: в межень, в катастрофический летний паводок, при среднем многолетнем
Таблица 1. Методы исследования, обработки и анализа данных.

Сбор информации	Обработка информации	Анализ информации
Метод географических аналогов (при обосновании выбора участков наблюдений).	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.	Статистический анализ многолетних рядов гидрологических характеристик: -метод скользящих средних; -метод автокорреляций; -разложение рядов среднегодовых характеристик на серии лет с положительными и отрицательными отклонениями (по отношению к норме).
Метод комплексного получения и регистрации данных современными техническими средствами.	Лабораторная (химическая) обработка почвенных проб для выявления а) кислотности и б) аморфного и несиликатного железа в почвенных профилях, а также наличия в них железо-марганцевых конкреций по методам: -- Мера-Джексона, --Тамма, --Зайдельмана.	Картографические методы анализа: --интерпретация, --экстраполяция, --сравнительный картографический, --совмещенный анализ карт.
Методы полевого сбора данных на местности: --рекогносцировочный, --топо-экологических трансект (инструментальн.), --ключевых участков; --микрокартографирование,	Статистическая обработка геоботанических данных по методам: --кластерного анализа (по методу средней связи); -- по коэффициентам сходства и разнообразия (Чекановского, Жаккара, Евклидовой дистанции).	Сравнительный географический анализ: --оценка экологических изменений на основе сравнения участков поймы с ненарушенным и нарушенным водным режимом; --оценка экологических изменений по временным интервалам для нарушенных территорий.
--комплексный ландшафтный, --геоботанической индикации.	Методика единого балльного перевода качественных данных обилия видов из разных геоботанических школ.	Методика выделения растительных индикаторов и их количественной оценки.
Сравнит.-морфолог. метод изучения почвенных профилей.	Ситематизация и установление таксономической принадлежности флористических сборов.	Методика индикации нарушений почв при изменении обводнения в поймах.