CC BY
15
УДК 504.05: 69.001.3
АНАЛИЗ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ ЭКОСИСТЕМ ГОРОДА В РАЙОНАХ СТРОИТЕЛЬСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Т.В. Чеснокова, М.Л. Кашникова
Ивановский государственный архитектурно-строительный университет
С помощью математического моделирования проанализированы приспособления растительных сообществ городских экосистем при воздействии строительства. Определены оптимальные почвенные факторы для растительных сообществ городских экосистем. В результате исследований выявлено, что оптимальные почвенные факторы природных экосистем отличны от таковых для экосистем, подвергавшихся воздействию строительных работ.
Ключевые слова: строительство, моделирование, экосистема.
В результате воздействия различных антропогенных факторов, в том числе строительства, сообщества экосистем в городской среде вынуждены активно приспосабливаться. Если фауна экосистем обладает способностью передвигаться и решать данную задачу "уходом от проблемы", то растительные сообщества такой возможности не имеют, поэтому отвечают на изменение факторов среды обитания. Следовательно, именно представители растительных сообществ экосистем могут служить объектом изучения, с одной стороны, характера воздействия на экосистему, с другой стороны, особенностей изменения и устойчивости экосистемы.
Целью представленного исследования явился анализ характера приспособления растительных сообществ городских экосистем при воздействии строительства.
Материал и методика
Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:
исследовались изменения условий обитания растительных сообществ городских экосистем, подвергавшихся воздействию строительных работ. По стандартной методике выбирались опытные и контрольные (интактные) площадки. Сходство условий обитания для растений до начала строительных работ обеспечивается уда-
ленностью контрольной площадки от опытной не более, чем на 200 м. Кроме того, отбор материала и проб производился равномерно на каждой площадке в пяти точках (правило конверта). Площадь отбора материала принималась 1x1 м. На выбранных строительнойй и контрольной площадках определялись содержание влаги и органических веществ в почвенных образцах и pH водной вытяжки почв. По стандартным методикам были определены: механический состав почв, характер уклона и освещенности исследуемых участков [1,2].
анализировались особенности приспособления растительных сообществ экосистем с помощью учета общих показателей - изменения количества растений и их видов на территориях воздействия строительства.
Полученные на строительных площадках результаты сравнивались с данными контрольных площадок и подвергались статистической обработке с помощью критерия Стьюдента [3].
- определялись оптимальные значения эдафических (почвенных) факторов для растительных сообществ исследуемых экосистем с помощью математического моделирования.
Для проведения эксперимента использовали близкий Б-оптимальный план.
В этом случае эллипсоид рассеивания вектора оценок коэффициентов уравнения регрессии имеет минимальный объем.
Целевая величина у зависит от вектора независимых переменных х (х1, хг, хз ), у = /(а, х). С помощью экспериментальных данных определяли математическую модель вида у = ао + +
а1 х;х.., так как модель номинального вида позволяет достаточно хорошо описывать любую аналитическую функцию.
Для нахождения коэффициентов модели использовали метод наименьших
квадратов а = {ртР) ' 1''т у, где а - вектор коэффициентов, Б -матрица планирования эксперимента, у - наблюдаемые значения выходного параметра у.
Результаты и их обсуждение Исследования изменений факторов среды обитания при воздействии строительства дали следующие результаты.
Изменение видового состава растительных
На всех строительных площадках величина pH водной вытяжки почвенных образцов увеличивалась, в среднем, на 1,5 единицы по сравнению с контрольными площадками.
При воздействии строительных работ содержание влаги и органических веществ в почве достоверно снижались.
Механический состав почв, характер уклона и освещенности на строительных площадках значительно не отличались от таковых на контрольных площадках.
Условия обитания, измененные под воздействием строительных работ, привели к изменениям состава и численности растительных сообществ городских экосистем. На строительных площадках, по сравнению с контрольными, количество растений и их видов достоверно снижалось. Причем, видовой состав растительного сообщества контрольной площадки значительно отличался от видового состава растений на строительной площадке (табл.1).
Таблица 1
Наиболее часто встречаемые виды растений
Контрольная площадка Строительная площадка
Подорожник средний Подорожник большой
(Plantago media) (Plantago major)
Одуванчик лекарственный Ромашка непахучая
(Т araxacum officinale) (Matricaria inodora)
Ромашка непахучая Полынь обыкновенная
(Matricaria inodora) (Artemisia vulgaris)
Пижма обыкновенная Одуванчик лекарственный
(Т anacetum vulgare) (Т araxacum officinale)
Овсянница луговая
(Festuca pratensis)
Клевер луговой
(Trifolium repens)
Горец птичий
(Poligonuim aviculare)
Ежа сборная
(Dactilis glomerata)
Льнянка обыкновенная
(Linaria vulgaris)
Полынь горькая
(Artemisia absintium)
Тысячелистник обыкновенный
(Achilea millifolium)
Для анализа особенностей приспособления растительных сообществ к воз-
действию строительства определялись оптимальные значения почвенных факто-
ров с помощью математического моделирования.
Оптимальные значения х; определялись градиентными методами и с помощью штрафных функций при выходе из области варьирования переменных. В качестве критериев оптимизации были выбраны ух- количество растений на исследуемой площадке, у2 ~ количество видов на исследуемой площадке. Независимыми факторами, влияющими на у, были выбраны:
Таблица 2
Кодированные и натуральные значения переменных для контрольной площадки
Обозначения переменных Название переменных Кодированные значения переменных Натуральные значения Переменных
PH водной вытяжки почв -1 6.5
X! 0 7.0
+1 7.5
Общее влагосодержание в почвен- -1 27
х2 ных образцах,% 0 28
+1 29
Содержание органических веществ -1 6.0
Хз в почве, % 0 7.5
+1 9.0
Таблица 3
Кодированные и натуральные значения переменных для строительной площадки
Обозначения переменных Название переменных Кодированные значения переменных Натуральные значения Переменных
PH водной вытяжки почв -1 7.0
X! 0 8.0
+1 9.0
Общее влагосодержание в почвен- -1 20
Х2 ных образцах,% 0 21
+1 22
Содержание органических веществ -1 3.0
Хз в почве, % 0 5.0
+1 7.0
Матрица планирования экспери- При учете количества растений по-
мента и значения выходных критериев лучены математические модели следую-
представлены в таблице 4. щего вида для контрольной (у1) и строи-
тельной (у 1) площадок, соответственно: У1=213-21,3х1 - 40,9x2 -8,9хз - 23,2х12 -33,1х22 + 7,4хз2 + 19,1 х2 XI +8,6x3 XI- 7,8x3x2; у 1=12-1,06x1 - 2х2 + 2,Зх3 + 0,18х12 + 0,4х22 - З,1х32 - 0,5 х2 Х1 +1,3 х3 Х1 - 1,5 х3х2.
При учете количества видов полу- го вида для контрольной (у2 ) и строи-
чены математические модели следующе- тельной (у 2 ) площадок, соответственно:
XI -pH водной вытяжки почвенных проб; х2 - общее влагосодержание в почвенных образцах, %;
хз - содержание органических веществ в почве, %.
Кодированные и натуральные значения переменных для контрольной площадки представлены в таблице 2, а для строительной площадки - в таблице 3.
уг=118+10,9x1 - 20,5x2 -0,75хз + 1,3х12 -27,4х22 + 12,6хз2 + 10,5 х2х1 -2,8 Х3Х1- 2хзх2; у 2=4+0,75x1 + 0,25х2 + 0,25х3 + 1,25х12 - 1,5х22 - 1,5х32 - 0,75 х2 Х1 +0,25 х3 Х1 - х3х2.
Таблица 4
Матрица планирования эксперимента и значения выходных критериев
№ опыта X! Х2 Хз Выходные критерии
Для контрольной пло- Для строительной пло-
щадки щадки
У! У! у2
1 1 -1 1 172 18 124 5
2 1 1 -1 129 6 111 3
3 1 -1 -1 157 8 127 2
4 1 1 1 113 10 100 2
5 -1 1 0 118 10 50 4
6 -1 0 1 201 9 123 3
7 -1 0 -1 236 7 119 3
8 -1 -1 0 238 13 112 2
9 0 -1 1 227 15 125 2
10 0 0 0 213 12 118 4
Значимость коэффициентов проверяли по 1;-критерию. Модели адекватны действительности, проверка была проведена по критерию Фишера.
В условиях городской среды экосистемы подвергаются воздействию многих антропогенных факторов, среди которых значительную долю составляют строительные работы. Воздействие строительных работ на окружающую среду связано, прежде всего, с изменением характера и состава почвенного профиля городских территорий [4].
В результате строительства увеличивается pH почв за счет привнесения в ее состав щелочных компонентов (растворов, вяжущих и т.д.), уменьшается общее влагосодержание за счет проводимых грунтовых работ. Строительство приводит также к значительному обеднению почв из-за снижения содержания органических веществ. Все эти данные подтверждаются нашими исследованиями. Общее обеднение почв на строительных площадках исследователи связывают прежде всего, с проводимыми работами по снятию плодородного слоя почв перед началом строительства. Снижение плодородия почв, нарушенных в результате строительных работ, необходимо восста-
навливать согласно требованиям, предъявляемым к рекультивируемым территориям [5]. Следовательно, изучение данной проблемы носит прикладной характер. Степень нарушения территории должна учитываться при восстановлении нарушенных земель.
Любое антропогенное воздействие, направленное на изменение факторов среды обитания, приводит к ответной реакции растительного сообщества экосистемы. На внешние воздействия со стороны окружающей среды растения отвечают морфологическими и биохимическими изменениями [4]. Факторы окружающей среды впоследствии оставляют шанс выжить лишь хорошо приспособленным видам. Отсюда уменьшение количества растений и их видов в городских экосистемах при воздействии строительства в представленном исследовании.
Кроме того, строительство ведет не только к уменьшению количества растения и видов, но и к снижению биоразнообразия растительных сообществ экосистем, что значительно уменьшает устойчивость последних [6]. Городские экосистемы, подвергавшиеся воздействию строительства, имеют в своем составе не-
сколько видов растений и характеризуются "монотонностью" (табл. 1 ).
Таким образом, строительство воздействует на городские экосистемы через изменения факторов среды, причем, наибольшему влиянию подвергаются почвенные факторы. Вследствие смещения эдафических факторов в ответную реакцию вовлекаются растительные сообщества, которые реагируют, прежде всего, изменением общих показателей, таких как, численность растений и количество их видов.
При выявлении закономерностей, полученных на основе результатов исследования важно определить оптимальные значения изучаемых экологических факторов для данной экосистемы, а это, в свою очередь, может раскрыть характер и механизмы приспособления растений к изменяющимся условиям среды. Определение оптимальных экологических факторов для растительных сообществ экосистем также позволит предположить по какому пути пойдет развитие экосистемы
[7].
В представленных исследованиях при первичном приближении с помощью математического моделирования выявлены оптимальные значения pH, влагосо-держания и содержания органических веществ в почве для контрольной и строительных площадок.
Оптимальные почвенные факторы для поддержания общего количества растений и видов на стройплощадках практически не отличаются и составляют: 7-7,8 для pH, для влагосодержания -21-22% и содержания органических веществ -5%. Полученные данные доказывают, что растения всех видов, произрастающие на строительных площадках, прекрасно приспособлены к создавшимся специфическим условиям обитания (растения-биоиндикаторы антропогенного воздействия).
Для устойчивого состояния и развития растения контрольных площадок
предъявляют несколько иные требования к почвенным факторам. Для поддержания общей численности растений интактной экосистемы нужны: pH почв 7,5, влагосо-держание -27% и содержание органических веществ в почве не менее 6,9 %. Для устойчивости и поддержания оптимального биоразнообразия растительных сообществ почвенные факторы должны быть в следующих пределах: нейтральная реакция среды рН= 6,9; относительно высокое влагосодержание в почвах - 29% и содержание органических веществ-7,2%. Полученные данные говорят о том, что поддержание численности происходит при одних оптимальных условиях, которых может быть совершенно недостаточно для поддержания биоразнообразия, т.е. создания устойчивого состояния растительного сообщества экосистемы. Следовательно, для получения полноценных территорий на месте нарушенных? следует учитывать значения оптимальных почвенных факторов для видов растений, которые будут использоваться в процессе рекультивации.
Таким образом, строительные работы изменяют почвенные факторы, определяющие характер приспособления растительных сообществ городских экосистем.
Выводы
1. Строительство приводит к изменению почвенных факторов, определяющих характер приспособления растительных сообществ городских экосистем.
2. Оптимальные почвенные факторы для растительных сообществ контрольных площадок (интактных экосистем) отличны от таковых для экосистем, подвергавшихся воздействию строительства.
3. Оптимальные почвенные факторы для поддержания общего количества растений и видов на стройплощадках практически не отличаются. Строительные работы поддерживают оптимальные почвенные факторы только для ограниченно-
го количества видов растений (биоиндикаторов).
4. Поддержание численности происходит при одних оптимальных условиях, которых может быть совершенно недостаточно для поддержания биоразнообразия, т.е. создания устойчивого состояния растительного сообщества интактной экосистемы.
5. При восстановлении нарушенных в результате строительства территорий необходим учет значений оптимальных почвенных факторов для растений, используемых для рекультивации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волкова Г.В., Баркова Л.И.Седова В.В. Практикум по почвоведению с основами агрохимии.М.: Агропромиздат, 1987. 144с.
2.Ганжара Н.Ф., Борисов Б.А., Байбеков Р.Ф.
Практикум по почвоведению.
М.:Агроконсалтинг,2002,- 280с.
3. Лакин Г.Ф. Биометрия.М.:Высшая школа, 1980. 293с.
4. Шуберт Р. Биоиндикация загрязнения наземных экосистем.М.: Мир, 1988.3 50с.
5. ГОСТ 17.4.3.03-85 Охрана природы. Почвы. Требования к охране плодородного слоя почвы при производстве земляных работ
6. Лебедева Н.В. и др. География и мониторинг
биоразнообразия. М.: Издательство учебно-
методического центра, 2002.432с.
7.Вдовюк Л. Н. Изучение ландшафтной приуроченности луговой растительности Нечерноземья // Биоиндикация состояния окружающей среды Москвы и Подмосковья.М.: Наука,1982.С.131-137.
Рукопись поступила в редакцию 23.03.2011.
ANALYSIS OF CITY ECOSYSTEMS PLANT ASSOCIATIONS ADAPTATION AT THE BUILDING AREAS WITH THE USE OF MATHEMATICAL MODELING
T. Chesnokova, M. Kashnikova
The adaptation of city ecosystems plant associations under the impact of building are analyzed with the use of mathematical modeling. The optimal ground factors for plant associations of city ecosystems are detected. It is revealed that optimal ground factors of nature ecosystems differ from such for ecosystems undergone by building activities.
Keywords: building, modeling, ecosystem.
