Структурно-функциональная организация лесных биогеоценозов как информационно-аналитический индикатор выявления угроз экологического характера и изменения климата

новывающих первоочередную роль фундаментальных исследований [26; 16; 18; 17; и др.]. Исходя из отмеченного, вслед за Н.В. Тимофеевым-Ресовским, А.Н. Тюрюкановым [22], С.С. Шварцем [24], Н.Н. Даниловым [4; 5], В.Н. Большаковым, Ф.В. Кряжимским, Д.С. Павловым [2], В.Г, Сафоновым [20], Г.С. Розенбергом [17], придерживающимися основных принципов первоочерёдности фундаментальной экологической науки, мы выделили один из главных факторов, определяющий основу поддержания динамики устойчивого равновесия биосферных процессов, в одно и то же время подверженный влиянию практически всех видов и форм хозяйственной деятельности человека, а также являющийся интегральным показателем положительного и отрицательного хозяйствования и природопользования в Вятско-Камском междуречье (по природному районированию – Вятско-Камская провинция). Напомним, что этот фактор – биологическая продуктивность, при которой динамичное возобновление и безопасное состояние ресурсов и качества среды обеспечиваются в результате функционирования биоты и неживых компонентов как единого целого в параметрах вещественного круговорота и потока энергии в пространственно-территориальных границах естественных и малонарушенных экологических систем, деятельность которых можно прогнозировать.

Целью настоящей работы было привести многолетние параметры структуры фито- и зоомассы, биологической продуктивности, круговоротов химических элементов и потока энергии в среднетаежных и южнотаежных биогеоценозах ( БГЦ ), как основных индикаторах экологического состояния и развития биогеоценотических (биосферных) процессов в Вятско-Камском междуречье, показать их колебания и изменения под воздействием различных факторов среды и перспективы приложения результатов данного научного поиска в развитии региона.

Стационарные и временные исследования проводились нами в 1989-2012 гг. на экологотопографических профилях (от пойм рек к водоразделам) в БГЦ, находящихся в разных режимах природопользования и охраны, в частности в Северо-Восточном (Тулашор - кластер ГПЗ Нургуш), Верхне-Вятско-Камском, Камско-Унжемском и Пойменном (ГПЗ Нургуш) лесорастительных районах. Объектами исследований были особи, популяции и группы БГЦ. На стационарах проводилась таксация древостоев, определялся радиальный прирост и запасы фитомассы на моделях, листовой опад и отпад; прослеживалась продуктивность травяно-кустарничкового яруса, учитывалась зоомасса наземных позвоночных и почвенных беспозвоночных животных; осуществлялся отбор проб осадков и водотоков, живой зоомассы и фитомассы, ветоши, опада, подстилки и почвы для химических анализов; прослеживалась динамика уровня весеннего половодья и сезонные фенологические явления развития природы в БГЦ, в ряде случаях называемых экосистемами [6; 8; 11].

Прежде всего, отметим, что устойчивость биосферы и БГЦ - её составных элементарных (неделимых) рабочих единиц и лесохозяйственных типов леса, обеспечивается способностью поддерживать свое функционирование и восстанавливаться после негативных воздействий. Это достигается только благодаря биологическому разнообразию , которое в течение длительного эволюционного времени сформировало компенсаторные, восстановительные и регуляторные механизмы, гарантирующие в определенных параметрах гомеостаз «биота-планета». Логично, что элементарной структурно- функциональной единицей эволюции биосферы всегда были экологические сообщества, а главным фактором её функционирования - трофические связи, определявшие характер и совершенствование параметров круговорота химических элементов. В этой связи в процессе жизнедеятельности биоты сформировались и биогеохимические циклы и восстановительные сукцессионные ряды, обеспечивающие стабильность БГЦ и биосферы. Причем, чем выше биоразнообразие, тем стабильнее экосистемы и биосфера в целом [23; 7]. Так, самовоспроизведение живого вещества и воспроизводство основных параметров качества окружающей среды и её компонентов определялись, и определяются динамично-цикличными режимами движения вещества и потока энергии в элементарных БГЦ и в их более высоких иерархических единицах структурного и функционального соподчинения систем. Экосистемы бассейна реки Вятка обладают системной эффективностью или эмерджентностью. Признаки этих систем - целостность и наличие у элементов общей генеральной цели - поддержание биогеоценотических и водорегилирующих процессов, следовательно, и повышение эффективности природопользования. В пространстве (в том числе в иерархическом ряду) этот режим волновой, а в системе, где поддерживается устойчивость - авто-волновый. Поэтому анализ системы и её элементов строится на синергетических представлениях. Это позволило нам: рассматривать различные природные комплексы в виде упорядоченных единств выраженных через структуру, взаимосвязи и целостность; территориально дифференцировать практические мероприятия природопользователей в конкретных БГЦ.

Ведущая роль в поддержании биологического разнообразия лесных и луговых БГЦ принадлежит циклическим сукцессиям, которые в биогеоценоти-ческом покрове организуются деятельностью не зарегулированных речных бассейнов р. Вятки и её притоков, популяционной жизнедеятельностью растений эдификаторов и доминирующих сообществ животных, а также хозяйственной деятельностью человека [8]. В данном случае в первую очередь необходимо выяснение природных механизмов поддержания биологического разнообразия в малонарушенных формациях, функционирование которых и будет в основе оценок состояния и эффективности природопользования в конкретном лесорастительном районе. Климаксовые, малона-рушенные БГЦ заповедников и некоторых заказников (ООПТ) отличаются высоким биоразнообразием и поэтому являются идеальными объектами для выявления этих механизмов. Особо важно, если сопряженно с ООПТ расположены хозяйственно освоенные участки с типологически близкими БГЦ лесорастительного района, развивающиеся под воздействием природно-антропогенных, и или уже под антропогенных факторов. Здесь в сравнительных экологических исследованиях (опыт-контроль) и выявляется информационно- аналитическая роль индикатора - эталонной экосистемы. Нами прослежена динамика экосистем на северо-востоке Волжского бассейна в голоцене [12]. В Вятско-Камском междуречье в некоторых лесорастительных районах (в агрегациях системы) есть малона-рушенные эталонные экосистемы в возрасте 3,5-2,5 тыс. лет, которые испытывали кратковременное и слабое воздействие древних охотников, животноводов и земледельцев и испытывают также общее антропогенное воздействие в настоящее время [8; 10]. Не случайно приоритетное изучение малона-рушенных, естественных экосистем как природных эталонов отмечается мировым сообществом, а также в природоохранном законодательстве и экологической доктрине России. Возникает вопрос, почему же упрощается ранее упомянутое триединство? Во-первых, последние 25 лет это период полураспада науки. Во-вторых, это связано с отсутствием экологических школ и природоохранных традиций в ряде регионов. Поэтому первое, с чем сталкивается исследователь, познающий региональный экосистемный уровень - выделение БГЦ и установление его объема и границ (как у объектов исследований на длительную перспективу) из-за разных их оценок географами, ботаниками, зоологами и экологами, всегда вызывает затруднения в начале конкретных экологических работ. Ранее В.Н. Сукачев [21] в основу выделения БГЦ положил однородность состава и определенный тип взаимоотношений и обмена между составляющими элементами, далее он отмечал, что БГЦ имеет территориальную протяженность и наиболее близок к элементарному ландшафту Б.Б. Полынова. С экологических позиций можно добавить, что действительно при функциональной оценке формирования особого типа сбалансированного вещественноэнергетического обмена требуется достаточно большее территориальное пространство сопряженных БГЦ в объёмах элементарного ландшафта [6; 8], что разделяют многие сторонники концепции климакса, отражающего действие второго закона термодинамики. Для выделения БГЦ, при организации комплексных экологических исследованиях, мы использовали одно из основных функциональных свойств БГЦ – тип обмена веществом и энергией, предложенный Н.Н. Даниловым [4; 5]. Это свойство включает состав и иерархию всех звеньев вещественно-энергетического обмена, роль каждого из них, в том числе объем и скорость превращений вещества и энергии, определение направления их преобразования и т.д. Во всех случаях сбалансированность функциональных процессов определяется соотношением между продукцией и деструкцией органического вещества. Поэтому устойчивость функционирования экосистем зависит также от сбалансированных взаимосвязей в пищевой цепи: растительность–травоядные–хищники– редуценты. В тоже время особенности биологического круговорота веществ в БГЦ определяют и показатели органической массы и химического состава её элементов. С этой целью нами выявлена структура биомассы основных компонентов мало-нарушенных БГЦ. Таксационные характеристики лесонасаждений приводятся в ранее опубликованной работе (8). Ниже отмечены главные параметры структуры БГЦ. В средней тайге (ООПТ Тулашор) возраст эдификатора (ели) 168 – 182 года. Бонитет 1-11. полнота 0,7, состав 7Е1С1Б1Ос+П, общий запас древесины 250-270 куб.м., общий запас фитомассы (древостой, подрост, подлесок, кустарнички, травостой, здесь и далее) 250 т/га, подстилка 810 см, её запас 16 -22 т/га, прирост надземной фитомассы 7.4-8,1 т/га/год (с учётом корней будет на 25-30% больше), индекс интенсивности разложения (деструкции) опада и подстилки – 7-9, причём в последние десятилетие в ряде БГЦ индекс имеет малые значения. В южнотаежных экосистемах бассейна реки Чепца (приток р. Вятка) возраст эдифи-катора (ели) 107-125 лет, бонитет II, полнота 0,80,9, состав 9Е1Ос+Б, общий запас древесины 300 куб.м, общий запас фитомассы 255-265 т/га, подстилка 4-7 см, её запас 14-19 т/га. Прирост фитомассы 6,7-7,3 т/га/год, индекс интенсивности разложения опада и подстилки – 5-8. В экосистемах средней части бассейна реки Вятка возраст ели 118-138 лет, бонитет I-II, полнота 0,8, состав Е2П+Ос, общий запас древесины 275-295 куб.м, общий запас фитомассы 235-255 т/га, подстилки 10-13 см, её запас 13-18 т/га, прирост фитомассы 6,4-6.9 т/га/год, индекс интенсивности разложения опада и подстилки - 5-8. В экосистемах долины и поймы реки Вятка (ГПЗ Нургуш) с участием главных пород, соответственно: сосна+осина+берёза и осина+дуб+ель+пихта+липа, структурные и функциональные параметры прослежены нами подробно на стационарах в течение ряда лет (таблица 1). В сосняках индекс разложения опада и подстилки равен 4-6, в осиннике – 0,3-0,5 и на лугу – 2-4.

Таблица 1. Структура и показатели круговорота веществ в БГЦ

*а.с.с. – абсолютно сухое состояние

Для характеристики второго уровня, то есть консументов (подвижных объектов), параметры структуры и биомассы (с учётом их динамики численности) позвоночных животных приводятся нами раздельно для долинных, равнинных и водораздельных участков (табл. 2). В малонарушенных

БГЦ средняя биомасса позвоночных животных в 1400 раз меньше среднего годового прироста надземной фитомассы (табл. 1).

На хозяйственно освоенных территориях в еловых, сосновых и лиственных формациях, по биотическим критериям [3], в результате уменьшения запасов органической массы на вырубках и выноса с ней химических элементов изменяются особенности структуры БГЦ и параметры биогеохимических круговоротов, то есть сбалансированность функциональных процессов, что является (при настоящих технологиях) негативным воздействием на природные комплексы и природные объекты и при больших масштабах сказывается на качестве благоприятной окружающей среды [9]. Отмеченное прослеживается и по энергопотоку. К примеру в бассейне р. Вятка с фотосинтетической активной радиацией (ФАР) поступает 176-197 кДж/кв.см в год, на средней его части 188,4 кДж/кв.см в год. От ФАР используется 1%, в итоге продуктивность растительного покрова достигает 75-85 ц/га в год, что отмечено нами только в малонарушенных БГЦ. В целом же в бассейне р. Вятка лесистость немногим более 58% (от былой 97%), от 15% на юге до 80% на севере. За последние 60 лет леса омоложены (спелых 28% от былых 43%) и стали смешанными (42% хвойных от былых 63%, расчётная лесосека перерубалась в 1,4-1,9 раза, в основном по хвойным видам. В итоге индекс отношения фитомассы к первичной продукции в средней и южной тайге 0,015- 0,025, а в нашем случае интенсивнее и уже свойственен лиственным и смешанным лесам 0,028- 0,033. В свою очередь у консументов индекс отношения фитомассы ( в кормовом ярусе) к биомассе копытных в ООПТ 0,27, а в освоенных вырубками БГЦ запасов корма в двое больше, но при сильном действии фактора беспокойства - в двое меньше биомасса популяций крупных зверей и птиц. Согласно Закону РФ «Об охране окружающей среды», качество и состояние окружающей среды характеризуется физическими, химическими и биологическими показателями и (или) их совокупностью. Однако в числе действующих нормативов в России не представлены популяционный и экосистемный уровни как главные составные части структуры и сохранения биоразнообразия. Именно они должны быть в ранге госзаказа и в основе прогнозов и экспериментальных разработок, положенных в нормативы допустимых воздействий. Пока же популяционные структуры объектов природопользования малоизученны. Однако ещё раз вернёмся к соблюдению принципа триединства. В третьих, мало кто заинтересован, чтобы нормативы допустимых воздействий обеспечивали соблюдение нормативов качества окружающей среды с учётом природных условий территорий и акваторий, как следует из статьи 22 (ФЗ-7). Хорошо известно, что стабильность естественных экосистем и следующих за ними иерархических единиц – природных комплексов обеспечивается биогеохимическими циклами, то есть изменение свойств БГЦ – нормальное явление, что выше продемонстрировано нами. В данном случае флуктуируют обозначенные показатели: органическая масса, ёмкость, интенсивность, скорость и т.д. круговорота веществ в БГЦ. Так в границах ёмкости круговорота реализуются современные эволюционные процессы БГЦ, следовательно, и возможность их восстанавливаться после негативных воздействий. Это обеспечивается только благодаря неразрывному взаимодействию всех уровней биоразнообразия (молекулярногенетического, популяционно-видового и экосистемного). Однако здесь необходимо учитывать разграничения флуктуаций в пределах нормы, к примеру цикличность динамики у грызунов [25], от сукцессионных смен длительных по времени [15], где иной тип регуляции БГЦ, при котором также возможны изменения функциональной роли входящих в БГЦ видов и замещение по функции одних видов другими. Поэтому в природоохранной (экспертной) деятельности для обозначения нормы и для прогноза, необходимы фундаментальные сравнительные (исходные) сведения от эталонных особо охраняемых естественных экологических систем. В данном случае приоритетное место в природопользовании будет занимать уже не ресурсная и ведомственная, а широко применяемая в странах и отдельных регионах с развитой экономикой эколого-экономическая составляющая, к примеру, ориентированная основами государственной политики России в области экологического развития на период до 2030 года и природоохранным законодательством на комплексное, восстановительное и высокоэффективное природопользование.

Таблица 2. Структура биомассы позвоночных животных таежных экосистем

Наряду с отмеченным следует подчеркнуть, что благодаря выявленным нами параметрам структурно-функциональной организации экосистем стал заметен (в цифровых значениях) тренд преобразований тайги в смешанные и омоложенные леса, что сопровождается увеличением кальция к югу региона, и что подтверждает изменения естественного характера таёжного типа биогеохимического круговорота влекущего за собой снижение способности восстанавливать и поддерживать естественное количество воды на водосборе главного бассейна и его агрегаций. Заметно также накопление и иссушение подстилки и опада подтверждающие разбалансированность процесса образования продукции и деструкции вследствие чего увеличивается вероятность разного рода угроз: повышение численности клещей, возникновения лесных пожаров, расселение лесостепных животных в тайгу, а таёжных видов в урбанизированные экосистемы. К примеру, обычными стали у свалок бытовых отходов высокие плотности мышевидных грызунов, чаек, ворон, лисиц и т.д., где возникли биоценозы с очагами болезней передающихся человеку и домашним животным (бешенство, клещевой энцефалит, чума и т.д.) Наши наблюдения, хотя и кратковременны, тем не менее, их можно рассмотреть и в другой взаимосвязи, к примеру, с древесно-кольцевой индикацией гидролого-климатических условий с учётом природных особенностей конкретной территории и акватории в масштабе нескольких десятилетий с 1972 по 2012г.г.(см. рисунок). В настоящее время для экологических прогнозов широко используются приведенные выше показатели по динамике структуры лесонасаждений, и годичные показатели их биологического прироста на тест-полигонах (стационарах у пойм рек). К примеру, в долине р. Вятка (у ГПЗ Нургуш) нами взяты керны для изучения прироста сосны обыкновенной с 1863 г. (одно поколение). Сравниваются они и с другими сведениями, так в церковных летописях отмечены масштабные засухи с 1367г., когда от Коломнен-ских до Вятских земель горели леса и болота. В летописях природы ООПТ также отмечены и максимальные пики половодья начиная с 1786, 1794 и в другие годы (повторяющиеся через 8-14 лет). Хорошо известно, что в годы высокой водности рек, были понижения температуры и малый прирост и наоборот [1]. В годы высокого уровня половодья р. Вятка (от засухи 1972 г. до засухи 2011г.) также прослеживается малый прирост древесины .

1972 1975 1978 1981 1984 198? 1990 1993 1996 1999 2002 2005 2008 2011

Год

Прирост

-♦-Уровень воды

Рис. Связь уровня воды (см) и ширины годового кольца сосны (мм)

Корреляция уровня воды и годового прироста - r = - 0,7. По параметрам ширины ежегодных колец, весеннего уровня воды и суммы температур, заметны значительные колебания как годового прироста древесины (главной части биологической продукции), так и климатических показателей и общий их благоприятный тренд (увеличивается продукция) при изменении индекса сухости и коэффициента увлажнения. Это согласуется с рядом положений регионального ландшафтноэкологического прогноза (сценарии благоприятного развития климата и увеличения биологической продуктивности к 2050 г.) разработанного Э.Г. Ко-ломыц [13]. Так на основе анализа представленной нами информации можно своевременно выявить и устранить экологические угрозы. К примеру, в пер- вую очередь повысить градации пожарной опасности в урбанизированных и особо охраняемых БГЦ.

В современных условиях качества среды при общей тенденции изменения лесистости и структуры лесов, потепления и улучшения комфортности климата происходит снижение максимального уровня воды, вместе с тем до настоящего времени прослеживаются естественные циклы главной климатообразующей системы - бассейна р. Вятка, биогеоценотических процессов и водорегулирующая роль БГЦ как её элементов, т. е. отсутствуют главные признаки деградации системы. Последнее открывает привлекательные инновационные и инвестиционные перспективы в эффективное природопользование региона и обеспечит приток высококвалифицированных специалистов, наукоёмких и экологически безопасных технологий. В данном случае результаты деятельности будут превышать ценность потребляемых природных ресурсов, что является главной целью рационального природопользования и безбедного развития человеческого общества, однако, для этого необходимо развивать эколого-экономическое мировоззрение в учебных программах школ, колледжей, вузов и массовом экологическом просвещении граждан региона. Наряду с отмеченным, выявление структурнофункционального состояния БГЦ как обязательного информационно-аналитического индикатора (продукта научно-практического триединства) должно быть законодательно закреплено в процедуре эколого-экономических оценок и главное – прогнозов эффективности комплексного природопользования и экологической безопасности в конкретных лесорастительных районах.