Применение космических технологий при оценке показателей почвенно-растительного покрова парка

УДК А630.5

Власов И.И., Надежкина Е.В.

 

Аннотация

Устойчивость почвенного покрова и его деградация в значительной степени зависят от устойчивости к антропогенным воздействиям растительного покрова и наоборот. При малой устойчивости к деградации растительного покрова (древесных, кустарниковых и травянистых растений) уменьшается устойчивость к деградации почв. В нарушенных почвах обогащение гумуса азотом снижается на 29,0-36,6% по сравнению с природными почвами, уменьшается доля подвижных форм углерода, как водорастворимого, так и в составе лабильных гумусовых кислот. Используя снимки со спутников можно достаточно точно определить состояние древесных пород парка. Наземные анализы уточняют состояние растений и выявляют основные признаки угнетения или их гибели. Использование метода биоиндикации позволяет установить начальные признаки деградации растений.

Ключевые слова:

Космические снимки, лабильно гуминовые кислоты, флуктурирующая ассиметрия, водорастворимые органические вещества.

Annotation

The stability of the soil cover and its degradation depends on resistance to anthropogenic impacts of vegetation cover and vice versa. If the stability of vegetation cover is bad, the stability of soil cover also become bad. In disturbed soil enrichment of humus nitrogen is reduced by 29,0 – 36,6%, compared to natural soils, decreases the share of labile forms of carbon both water-soluble and composed of labile humic acids. Using the space images from satellites it is possible to accurately determine the status of the tree species of the park. Ground tests clarify the status of the plant and identify the main signs of depression or their death. The use of bioindication method allows you to set the initial signs of the degradation of plants.

Key words: space images, labile humic acid, fluctuating asymmetry, water-soluble organic matter.

 

Введение.

   Наступившее столетие характеризуется интенсивным антропогенным действием на природную среду. Выбросы промышленных предприятий, теплоцентралей, выхлопы авиационных двигателей и других видов транспорта попадают непосредственно в атмосферу и распространяются на десятки и сотни километров. В результате происходит региональное и глобальное загрязнение биосферы в целом и почвенного покрова в частности [1].

Загрязнение почв оказывает неблагоприятное воздействие на растительный мир и на здоровье населения. В условиях непрерывного повышения техногенных нагрузок на городского жителя, покрытые растительностью пространства города становятся мощным средством частичной нейтрализации негативного воздействия отрицательных факторов жизни на урбанизированных территориях [2, 8].

При этом особая роль принадлежит особо охраняемым природным территориям (ООПТ), к ним относится природно-исторический парк «Покровское – Стрешнево».

Поэтому изучение почвенно-растительного покрова парков актуально в настоящее время. Использование почвенно-растительного мониторинга и космических снимков позволяет выявить изменения, происходящие в экосистемах парка на ранних стадиях их проявления. Космические снимки обеспечивают достоверность, оперативность и регулярность измерения характеристик состояния природной среды, поэтому наряду с научными исследованиями наземных экосистем, необходимо использование современных геоинформационно-космических технологий [3].

В последнее время во всем мире запущено большое количество спутников с научной аппаратурой на борту, работающей в разных спектральных диапазонах. В экологических исследованиях все шире используют технологии, основанные на дешифрировании космических снимков разного пространственного разрешения.

 

Объекты и методы.
Природно-исторический парк «Покровское – Стрешнево» находится в Северном и Северо-Западном административных округах города Москвы, имеет региональное значение. Площадь парка составляет 238 га.
Работа основывалась на системном методологическом подходе к экологической оценке экосистем парка с использованием ГИС-технологий, методов дистанционного зондирования и автоматизированного дешифрования космических снимков, анализа картографических и статистических данных, мониторинговых показателей, полученных в результате полевых и лабораторных исследований.
Для изучения изменений химических, физико-химических и биологических свойств почв были заложены в 2012 году пять площадок размером 25 х 25 метров каждая на естественных и нарушенных почвах парка (рис. 1).Отбор почвенных проб проводился в соответствии ГОСТ 28168-89, подготовка почв к анализу по ГОСТ 17.4.3.01-83.

Рисунок 1. Схематическая карта парка
На всех площадках были заложены почвенные разрезы, из которых отобраны почвенные образцы. Кроме того, на этих же площадках буром были в пяти повторениях взяты образцы по 10-ти см слоям. В почве определяли: гумус по методу И.В. Тюрина в модификации ЦИНАО с фотометрическим окончание на Spekol 211.
Дешифрирование проводилось с мультиспектральным четырехканальным изображением (Red, Green, Blue, Nir), сделанным со спутника «WorldView-2». Площадь покрытия космосъемкой – 25 км2, угол отклонения от надира 9,26º, при нулевой облачности. Снимки были предоставлены компанией СОВЗОНД в формате «tiff».
Дешифрирование снимков осуществляли при комплексном использовании растрового графического редактора Envi и полевых работ в парке, благодаря которым были составлены картографические схемы загрязнения снежного и растительного покровов парка с учетом розы ветров.
Оценка состояния растительного покрова парка Покровское – Стрешнево проводилась путём использования космических снимков и трехлетнего наблюдения за растениями на пяти постоянно закрепленных площадках и трех трансектах, проходящих по территории парка (рис. 1).
Определялись морфологические показатели: площадь листьев, средняя площадь некрозов, хлорозов и объеданий в процентах от площади листовой поверхности, плотность листа, и изменение формы и флуктуирующая ассиметрия листовой пластины – методика А.И. Федоровой — А.Н. Никольской [14].
Коэффициент флуктуирующей асимметрии определяли по 5 параметрам: ширины половинки листа; длина второй жилки второго порядка от основания листа; расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка.
Жизненного состояние насаждений оценивалось по шкале: здоровое – ослабленное, сильно ослабленное и полностью разрушенное – методика В.А.Алексеева [5].

Результаты и обсуждение.
Свойством плодородия определяется огромная роль почвы в природе как источника существования и эволюции жизни на Земле.
Характерной особенностью всех почв парка являлось накопление органического углерода (Согр) в верхних горизонтах. Содержание Сорг естественных почвах колебалось от 2,48 до 2,92%. В агрогенно-преобразованных Сорг изменялось– от 2,40 до 2,61%, в горизонтах урбик от 2,14 до 2,73%. В ржавоземе типичном супесчаном количество Сорг. в поверхностном (0-20 см) слое почвы было меньше в среднем на 0,26% (НСР05=0,004%), по сравнению с ржавоземом легкосуглинистым.
Количество гумуса в верхнем слое изменялось от 2,63- 4,09% в природных почвах до 2,15 — 3,07% в агрогенно-измененных почвах. Вниз по профилю почв наблюдалось уменьшение содержания гумуса, причем характер снижения количества Сорг. определялся антрогенной трансформацией почвы и её гранулометрическим составом.
Известно, что гумусовые вещества участвуют в обменном и необменнобменном поглощении катионов, входящих в состав таких загрязняющих веществ, как радионуклиды, тяжелые металлы, химические мелиоранты, различные соли и другие.

В почвах, достаточно обеспеченных органическим веществом, гораздо эффективнее протекают процессы детоксикации загрязняющих веществ, значительно ниже коэффициенты накопления тяжелых металлов и радионуклидов [4]. Поэтому знание количества и качества органического вещества почв парка важно для оценки, прогноза изменений и принятия мер по улучшению экологического их состояния.
Трансформация органических остатков и синтез гумуса сопровождаются образованием в почве лабильных форм органического вещества [6,7,9].
На стадии минерализации растительных остатков, продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и началом гумификации образуется водорастворимое органическое вещество (ВОВ) кислой природы. Оно содержит низкомолекулярные соединения (органические кислоты, сахара, аминокислоты) и легкогидролизуемые органические вещества растительного опада, выделения корневых систем, которые служат источником для питания растений, и в первую очередь, азотом. Часть ВОВ участвует в водной миграции и в синтезе комплексных металлорганических соединений.
Анализ полученных нами данных показывает, что содержание водорастворимого органического углерода в верхних горизонтах изучаемых почвах парка изменялось в среднем от 0,081% в ржавоземе типичном легкосуглинистом до 0,028% от массы почвы урборжавоземе супесчаном (таблица 1).
Количество водорастворимого углерода колебалось в горизонте урбик до 0,016-0, 0,037%.
Аналогичные данные по количеству Свов приводятся в работе Т.А. Чалой [15], где указывается, что в почвах постагрогенных ландшафтов южной тайги содержание водорастворимого органического вещества находится в пределах 0,02-0,08% от массы почвы.

Таблица 1 – Содержание подвижных форм органического вещества

в верхних горизонтах почв парка (средние данные)

Почва Горизонт Сорг.,% Слгк, % Свов, %
от массы почвы
2012г. 2014г. 2012г. 2014г
Ржавозем типичный легкосу-глинистый AY 2,95±0,03 0,171±0,006 0,157±0,003 0,083±0,001 0,078±0,003
Ржавозем типичный супесчаный AY 2,69±0,02 0,145±0,004 0,141±0,002 0,061±0,002 0,055±0,001
Ржавозем постагрогенный супесчаный AYpa 2,50±0,04 0,132±0,001 0,120±0,005 0,053±0,002 0,045±0,004
Урборжавозем супесчаный AVur 2,23±0,01 0,092±0,006 0,056±0,002 0,031±0,004 0,025±0,002
Урбанозем супесчаный U 2,71±0,05 0,125±0,003 0,106±0,004 0,035±0,006 0,024±0,001

 

Следующий по трансформационной способности фонд органического вещества, извлекаемый 0,1н раствором NaOH, в наших исследованиях представлен лабильными гумусовыми кислотами.

Лабильные гумусовые кислоты (ЛКГ) могут быть отнесены к относительно « молодым формам» гумуса, которые непрочно связаны с минеральной частью почвы. Эти соединения содержат повышенное количество азота и способны быстро минерализовываться [12].

Результаты исследований показали, что содержание Слгк изменялось (в среднем) от 0,164% в ржавоземе типичном легкосуглинистом до 0,116% от массы почвы в урбаноземе супесчаном. Уменьшение содержания лабильных гумусовых кислот по профилю всех почв происходило постепенно.

В почвах наблюдается сезонная динамика углерода лабильных гумусовых кислот, содержание их уменьшалось от весны к осени, что возможно связано с минерализацией их микроорганизмами (рис. 2).

Трансформация органического вещества зависела от погодных условий, как в течение теплого времени года, так и по годам исследований. Увеличение осадков, следовательно, и запасов влаги в почвах в 2012 году приводило к некоторому снижению Слгк и в то же время к увеличению Свов. В 2014 году низкая влажность и высокая температура способствовали снижению количества как Свов, так Слгк Возможно, это связано с тем, что происходило более быстрое закрепление углерода в составе сложных соединений.

Меньше всего образовывалось легкогидролизуемых органических кислот в верхнем слое урборжавозема маломощного супесчаного в 2014 году –0,056% от массы почвы, в то время как в ржавоземе типичном легкосуглинистом Слгк было почти в 2 раза больше (0,157%).

Уменьшение количества Слгк в 2014 году к уровню 2012 года статистически значимо (НСР05= 0,003%) и составило 0,01 и 0,036% в этих почвах соответственно.

Почва – одно из необходимых условий произрастания зеленых насаждений в парке, которые способствуют оздоровлению воздуха, улучшают городской микроклимат, поглощают из воздуха тяжелые металлы и другие поллютанты и тд.

 

Устойчивость почвенного покрова и его деградация в значительной степени зависят от устойчивости к антропогенным воздействиям растительного покрова и наоборот. При малой устойчивости к деградации растительного покрова (древесных, кустарниковых и травянистых растений) уменьшается устойчивость к деградации почв.

Растения реагируют на любые изменения условий внешней среды, изменяя процессы своей жизнедеятельности. В первую очередь изменяется скорость роста растений, темпы сезонного развития, интенсивность цветения и плодоношения, фотосинтез и дыхание, морфологические признаки растения (размер, форма). Последние могут служить индикаторами степени благополучия окружающей среды для растений и условий жизни человека. Поэтому многочисленные авторы используют высшие и низшие растения в качестве биоиндикаторов загрязнения окружающей среды [10,13].

Поэтому раннее выявление деградационных процессов зеленых насаждений приобретает особую актуальность.

Оценка состояния растительного покрова парка Покровское – Стрешнево проводилась путём использования космических снимков и трехлетнего наблюдения за растениями

Дешифрование снимков позволяет заключить, что в настоящее время большая часть древесных растений парка находятся в хорошем состоянии, не имеют существенных признаков повреждения или незначительно повреждены.

Вместе с тем, в отдельных участках парка ситуация с состоянием растений оказалась различной.

В центральной части парка на площадке 001, а также площадке 002 (рисунок 3-3 и 3-4) древесные культуры находятся в хорошем состоянии. И как показывают наземные наблюдения, только в одном случае было выявлено усыхание вершины сосны. На площадке 003 (рисунок 3-5) отмечается некоторое увеличение количества слабоповрежденных растений. Как показал, проведенный анализ листьев растений с этой площадки, значительно уменьшилась площадь листовой пластины и увеличилось количество некрозов.

Результаты исследования свидетельствуют, что условия произрастания влияют на показатель флуктуирующей ассиметрии. Так, для рябины, в районе Ленинградского шоссе он был очень высоким — 0,18, что свидетельствует о значительном отклонении от нормы. Меньшей степенью загрязнения характеризовались растения в районе площадки 001 и по трансектам 1 и 3, в районе родника «Царевна – Лебедь». На площадке около Волоколамского шоссе значение показателя ассиметрии соответствовало 4 баллам по шкале отклонения.

Площадь листьев зависела от места отбора проб. Наибольшая площадь листьев у березы, липы и рябины отмечалась в центральной части парка на площадке 001. На площадке 005 произошло снижение этого показателя у рябины на 58,3%, у березы – на 14,1, клена – на 13,1 и липы на– 21,8% по сравнению с площадью листьев у этих культур на площадке 001.Такие изменения связаны, как загрязнением почвы тяжелыми металлами, так и поступлением загрязняющих веществ аэральным путем.

Динамика изменений содержания подвижных форм углерода в поверхностном слое почв парка.

1 — ржавозем типичный супесчаный, 2 — ржавозем типичный легкосуглинистый, 3 — ржавозем постагрогенный супесчаный, 4 — урборжавозем супесчаный, 5 — урбоназем супесчаный

Рисунок 2 – Динамика изменений содержания подвижных форм углерода в поверхностном слое почв парка.

 

Расположение площадок, трансектов и космические снимки состояния растений в парке Покровское – Стрешнево

 

 

Рисунок 3 – Расположение площадок, трансектов и космические снимки состояния растений в парке Покровское – Стрешнево

Данные, проведенных анализов, показывают, что в нарушенных почвах обогащение гумуса азотом снижается

  1. Площадки и трансекты, 2. Общий вид растений парка, Состояние растений:3. на площадке 001, 4. на площадке 003, 5. на площадке 005, 6, на территории родняка, 7, на площадке 002; 8. на площадке 004

Заключение.

Данные, проведенных анализов, показывают, что в нарушенных почвах обогащение гумуса азотом снижается на 29,0-36,6% по сравнению с природными почвами, уменьшается доля подвижных форм углерода, как водорастворимого, так и в составе лабильных гумусовых кислот, что может отражаться на состоянии растительного покрова парка.

Мониторинг некоторых химических, физико-химических свойств почв парка Покровское – Стрешнево позволил установить, что в антропогенно-преобразованных почвах снизилась обогащенность гумуса азотом и увеличилась щелочность, в основном, за счет аэрогенного загрязнения в зимнее время года.

Таким образом, используя снимки со спутников можно достаточно точно определить состояние древесных пород парка. Наземные анализы уточняют состояние растений и выявляют основные признаки угнетения или их гибели.

Использование метода биоиндикации позволяет установить начальные признаки деградации растений.