CC BY
42
—ОТРАЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ—==—
УДК556.5; 581.524; 634.0.1
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОЦЕНКИ НАРУШЕНИЙ ПОЙМЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ ПРИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ1
© 2008 г. Ж.В. Кузьмина*, С.Е. Трешкин**
*Институт водных проблем Российской академии наук Россия, 119333 Москва, ул. Губкина, д. 3. E-mail: jannaKV@yandex.ru **Российская академия сельскохозяйственных наук Россия, 117218Москва, ул. Кржижановского, д. 15, корп. 2. E-mail: biost@yandex.ru
Реферат. Впервые на основе разработки алгоритма решения проблемы оценки воздействия низконапорных гидротехнических сооружений на наземные пойменные экосистемы, разработана общая методика определения нарушений пойменных экосистем, применимая для нескольких географических зон (широколиственных лесов, лесостепной, пустынь) с наличием различных гидротехнических сооружений. Определены различия процессов и характера их проявления в ландшафтах при эксплуатации средне-высоконапорных (СГС и ВГС) и низконапорных гидротехнических сооружений (НГС).
Ключевые слова: антропогенные изменения речного стока, экологические уровни поймы, экосистемы, флуктуационная изменчивость сообществ, растения - индикаторы зарегулирования, деградация, негативные почвенные процессы, оглеение и засоление почв.
Введение
Зарегулирование речного стока, на протяжении многих десятилетий, является основным фактором разрушения природных экосистем в поймах и дельтах рек. Следствием этих исторических экологических изменений является возникновение экологических проблем, которые часто приводят к настоящим катастрофам (Авакян и др., 1987; Антропогенные воздействия на водные ресурсы ..., 2003; Глазовский, 1990; Коронкевич, Малик, 1992; Шульга, 2002; Jahrling, 1995; Henri chfreise, 1996, 2000; Hochwasserschutzmassnahmen..., 1988; Hugin, Henrichfreise, 1992).
Экологические изменения, вызываемые крупными: высоконапорными (ВГС) и средненапорными (СГС) гидротехническими сооружениями приводят как к гибели пойменных экосистем, так и к ухудшению здоровья населения (Глазовский, 1990; Ильина, 1997; Плисак, 1981; Плисак и др., 1989; Новикова, 2001). Поэтому в последнее время сохранение пойменных экосистем во всем мире рассматривается как международная проблема: Рамсарская конвенция по водно-болотным угодьям (1971), Общеевропейская стратегия биологического и ландшафтного разнообразия (1996) и др. (Henrichfreise, 2000; The Pan-European Biological and Landscape Diversity Strategy, 1996; Novikova et al., 1998; 2001).
Влияние на пойменные территории низконапорных гидротехнических сооружений (НГС) с подпорным уровнем менее 10 м, которые значительно чаще встречаются на европейском континенте изучено слабо, поскольку часто нарушения имеют неявновыраженный характер, ограничены в пространстве (поймой), отличаются затяжными и длительнопротекающими процессами. Более того, существует мнение об отсутствии негативного влияния НГС.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 06-05-64159).
94
Методология, методы, исходные материалы
Методология данного исследования основывается на системно-структурном и ландшафтно-экологическом подходах, которые отражают взаимосвязь внутри- и межэкосистемных природных процессов. Использовались методы исторических, экологических, географических аналогов, методы геоботанической индикации, топо-экологического профилирования, статистической обработки и др. (Кузьмина, 2007а).
Работа базируется на широком комплексе полевых исследований, с использованием инструментальной съемки, с закладкой топо-экологических профилей (более 25) и отдельных модельных участков в верхних и нижних бьефах плотин, в центральных частях зарегулированных и незарегулированных рек и их отрезков, в верховьях рек с полным отсутствием гидротехнического воздействия и в низовьях - с полностью измененным в результате зарегулирования стоком. На постоянных профилях и модельных участках проводились комплексные повторные периодические исследования с использованием разнообразных методов полевого сбора данных и их последующей камеральной обработкой.
Исследования проводились в разные периоды по водности реки: в межень, в катастрофический летний паводок, при среднем многолетнем уровне воды, выше и ниже среднего многолетнего уровня воды в реках.
Исходными материалами являются результаты собственных полевых исследований 19852008 годов в России (р. Сейм), Германии (рр. Эльба, Дунай с притоками), Узбекистане (р. Амударья), Туркменистане (рр. Атрек, Сумбар), а также собранные в архивах и библиотеках гидрологические и климатические данные, материалы, опубликованные в научной литературе, фондовые и картографические материалы, которые были изучены, проанализированы и переосмыслены аторами в течении последних 20-и лет (Бахиев и др., 1992, 1994; Кузьмина, 1997а, 1997б, 1997в, 2003, 2005а, 2005б; 2007а, 2007б, 2007в; Кузьмина, Трешкин, 1997, 1999, 2001, 2003, 2004, 2005, 2007; Кузьмина, Новикова, 1997; Кузьмина и др., 2000, 2006; Новикова, Кузьмина, 2000; Новикова и др., 2005; Панкова и др., 1994, 1996; Трешкин, Кузьмина, 1989, 1993; Ко^шта, 2004, 2006; К^'шта, ТтаШп, 2006; Ко^шта е! а1., 2004, 2005; Коу1коуа е! а1., 1998; 2001; ТгевЬкт, 2000).
Определение наличия негативного влияния гидротехнических сооружений
Для того, чтобы оценить наличие влияние ГС на экосистемы необходимо выполнять работы по двум основным направлениям: 1) оценивать многолетние изменения атмосферных осадков (Кузьмина, 2007б, 2007в; Кузьмина, Трешкин, 2007; Ко^шта, 2006 и др.) и речного стока (Кузьмина, 2003, 2005а, 2005б; Кузьмина, Трешкин, 1999; Кузьмина и др., 2000; Ко^шта е! а1., 2005 и др.) в районах работ, в том числе особенности затопления пойм при зарегулировании и 2) изучать закономерности трансформации природной среды во времени при зарегулировании (Трешкин, Кузьмина, 1989, 1993; Кузьмина, Трешкин, 2005; Новикова, Кузьмина, 2000; Панкова и др., 1994, 1996; Коу1коуа е! а1., 1998; 2001 и др.): определять основные тенденции развития природных комплексов, устанавливать виды растений и сообщества - индикаторы зарегулирования и индикационное изменение их структуры, строить эволюционно-динамические ряды природных комплексов для различных режимов функционирования пойм.
Совокупный анализ многолетних натурных данных и статистической обработки гидро- и метеорологических характеристик позволил нам выявить различия процессов и характера их проявления в ландшафтах при эксплуатации средне- (СГС) и высоконапорных (ВГС) по сравнению с низконапорными (НГС) гидротехническими сооружениями (табл. 1). Отличия заключаются в характере, интенсивности и временном аспекте проявления последствий.
VO
Таблица 1, Основные различия процессов и характера их проявления в ландшафтах при эксплуатации средне- (СГС) и высоконапорных (Б Г С) и низконапорных (II ГС) гидротехнических сооружений. Table 1. The basic distinct! о ri processes and character their display in landscapes under exploitation of medium- head (IvIHW) and high-head (HHW) and low-head waterworks (LYW).
>
S
X tr
Й «
О
о S О
ч
м
ю о о
ОС
н о
h OJ 'Jl I
OJ On
Процессы и При эксплуатации СГС и ЕЙ С (с уровнем напора воды их хараиер сгс .. jG.4Ü м и для В ГС - более 40 м) При эксплуатации НГ'С (с уровнем напора еоды до 10 м, обычно 2-7 м)
Затапливаются значительные территории по площади и Затопление протяженности (десятки и сотни км), обычно весь пойменный территорий комплекс (от нижних до верхних пойменных уровней) и ча сть в о дор аз дельно й т ер pin о рии Затаплизаются малые по площади (первые десятки метров) и б ольшие по протяженности территории (десятки и/или сотни км при создании каскадов НГС) в пределах пойменного комплекса (обычно 1 -2 пойм, уровни)
о Значительный подъад УВ, обычно более 5 м от естественного; Изменение 0 Стабилизация УВ в каскадах и выше ГС; (ГОщМШ^ о С окр ащашеамплит уды колебания УВ зависит от типа регулирования объекта (не всегда большое); о Часто значительное падение УВ ниже ГС на многие км о И езначит ельный п о дь ал УВ, о бычно неб олее G. 5 - 5 0 м от естественного; о Ста билизация УВ, повышение УВ в межень; о Значит ельно е сокращение внутри- и межгодовой амплитуды колебания УВ (е 2 -2.5 раза)
В р емя В и димы е измен ения Li лак дшаф тах и эко сист емах начинаю т изменений отмечаться сразупослевворав стройБГС Видимые изменения в ландшафтах и экосисталах отмечаются спустя 10-30 лет после ввода в строй НГС
С г онно - Значит е. льные измен ения амплитуды колеб ания У В н е св язанны е нагонные с регулированием запасов воды (до 2.5 м и более), возникновение явления прогрессивной абразии побережья и дна: незапланированные потери плодородных с/х угодий (до 500 и более га за 30 лег) В озниканнцие небольшие изменения не влияют на характер обводнения наземных пойменных экосистем после Евода НГС в эксплуатацию
Изменьные 0 По.лное прекращение затоплений верхней и сокращение паводковта затопления средней и нижней поймы (если они остались); чэ т ОПЛРНШ1 ~ ^ " о Возникновение и чых процессов: с лед оными явлениями, пр^ц^-q 1В изменением засоления прилегаю 1цих территорий и др.) о Ч астично е пр екращекие зат о плений в ер хней по ймы; о Нарушение в чередовании периодов повышенной и пониженной частоты затопления Еерхней поймы; о Сокращение затопления средней поймы
о Повышение УГВ и активизация интенсивных опо.пзнсеых Изменение процессов вблизи русла и быстрого заболачивания на низких уровня уровням поймы и е понижениях (если они остались); ° Сокращение амплитуды колебания У1"В на средних и низких " 0 д;: ур о eh як п оймы (если они о стали сь); о Понижение УГВ (часто очень болыно е) на верхних уровнях поймы, как е близи таки в удаленнии от русла (о сухо доливание лугов, опустынивание тугаев) о Повышение УГВ и постепенная активизация медленных процессов заболачивания на нижних, средних и верхних уровнях поймы всего поймашого комплекса в целом, о Сокращение амплитуды колебания УГВ на всех уровнях поймы
I ¡.роявлення Значительные отличия процессов в вер;ашх и нижних бьефах: вверхнихи о б сыхани е, о сухо до л ивание, опу стынивани е в в ерхкнх бь еф ах и нижних подтопление, заболачивание, засоление в нижних бьефах Незначительные различия процессов в верхних и нижних бьефах, особенно с каскадами НГС
В ходе обработки и анализа собранных материалов был разработан алгоритм решения проблемы негативного влияния НГС на наземные пойменные экосистемы (Кузьмина, 2007а), который является универсальным и применим во всех географических зонах с наличием любых гидротехнических сооружений (ВГС, СГС, НГС). Этот алгоритм состоит из трех основных этапов, каждый из которых имеет свою последовательность действий:
• установление направлений фоновых изменений гидрологических и метеорологических характеристик (или их отсутствия) для региона исследований:
О анализ изменений водного режима за весь период инструментальных наблюдений (колебание во времени среднегодовых, максимальных и минимальных уровней и расходов воды) и выявление направленных достоверно значимых трендов (или их отсутствия);
О выявление аналогичных и сезонных изменений атмосферных осадков и температуры воздуха с определением достоверно значимых трендов (или их отсутствия);
• выявление наличия изменений в обводненности поймы:
О сравнение характеристик водного режима для зарегулированных и незарегулированных (условно " естественных") рек и их участков с учетом совместного воздействия зарегулирования и тенденций фоновых многолетних изменений;
О выявление нарушений в ритмах частоты затопления пойм (повторяемость затоплений
для биотопов различных экологических уровней); О выявление изменений в амплитуде колебания УГВ и установление ее кризисных значений, на основе сравнения таковой для естественных и нарушенных территорий; О выявление нарушений в распределении глеевых горизонтов и характера ожелезнения и/или засоления в почвенном профиле;
• определение наличия и степени нарушений в экосистемах:
О определение характера нарушений в эволюционно-динамических рядах природных
комплексов для разных режимов функционирования пойм; О выявление и использование видов растений-индикаторов зарегулирования НГС для определения наличия воздействия НГС на экосистемы, в том числе на начальных его стадиях;
О определение и использование индикационных изменений в структуре экосистем для оценки степени нарушенности и необходимости восстановительных мероприятий в поймах.
Таким образом, на первых двух этапах работы, вслед за выявлением и оценкой характера антропогенных изменений речного стока на фоне естественных гидрологических и климатических флуктуаций, определятся наличие нарушений в формировании и функционировании пойменных территорий - "выявляется наличие изменений в обводненности поймы ".
В результате многолетних исследований было установлено, что основные направления нарушений в обводненности пойм от воздействия ГС различного масштаба (НГС. СГС. ВГС) сходны. Ими являются:
О сокращение амплитуды колебания УГВ по сезонам и годам (наибольшее для НГС - в 1.55 раз от первоначальной); О нарушение характера залегания УГВ: для НГС - изменение направления падения потока безнапорных грунтовых вод с прямого на обратный (образование постоянного направления от основного русла к водоразделу) и установление равного положения УГВ под лесными и луговыми экосистемами; для СГС И ВГС - значительное заглубление УГВ ниже расположения ГС и существенный подъем УГВ в верхних бьефах плотин;
О нарушения в функционировании типичных почвенных процессов в поймах: для НГС - в распределении оглеения и ожелезнения в почвах (возникновение глеевых горизонтов в верхних частях почвенного профиля - 0-1 м, редукция ожелезнения); для аридных регионов, СГС и ВГС - в появлении процессов засоления и отакыривания почв в поймах.
Индикационное значение смен растительности при зарегулировании речного стока
Приступить к непосредственной методике оценки нарушений пойменных экосистем в результате гидротехнического воздействия возможно только после "выявления наличия изменений в обводненности поймы". Таким образом, только при выполнении третьего этапа алгоритма возможно "определить наличие и степень нарушений в экосистемах". Здесь, в зависимости от гранулометрического состава почвогрунтов, залегания УГВ в межень и изменения характера паводковых затоплений необходимо установить виды растений -индикаторы зарегулирования ГС. Для зоны широколиственных лесов и лесостепи нами были установлены такие виды растений - индикаторы зарегулирования НГС (табл. 2). Среди них: дурнишник, горец земноводный различные виды бодяков, чертополохов, хвощей и др.
Таблица 2. Индикаторное значение основных растений-индикаторов при зарегулировании НГС на основе доминирования (и/или субдоминирования) видов в луговых сообществах и в травяном ярусе лесов зоны широколиственных лесов и лесостепи. Table 2. Display value of the basic plants-indicators under regulated LHW on the basis of domination (and-or subdomination) species in meadow communities and in grassy circle of forests in zone of broad-leaved forests and forest-steppe.
Доминирующие виды Гранулометрический УГВ в ме- Изменение характера
растении состав почвогрунтов жень, м паводковых затоплений
Xanthium albinum, Глина, тяжелый суглинок 0.4-0.8 Частичное сокращение
X. strumarium - на лугах паводков
Glyceria maxima - Глина, тяжелый суглинок 0.4-0.8 Частичное сокращение
на лугах паводков
Inula Britannica - Тяжелый суглинок, глина 1.4-1.9 Частичное сокращение
на лугах с прослоями ср. суглинка паводков
Ranunculus repens, Crepis Легкий и средний 1.6-2.2 Частичное сокращение
biennis - на лугах суглинок паводков
Средний суглинок, 0.0-0.9 Почти полное прекра-
Phragmites australis* - иногда подстилаемый щение; заливание только
на лугах и в лесах галькой в катастрофические паводки
Potentilla anserina, Тяжелый 0.7-1.2 Почти полное прекра-
Potentilla reptans - суглинок, глина щение; заливание только
на лугах в катастроф. паводки
Polygonum amphibium - Тяжелый суглинок, глина 1.2-2.3 Почти полное прекра-
на лугах (наземная форма) с редкими прослоями ср. суглинка щение; заливание только в катастроф. паводки
Equisetum arvense, Средний, тяжелый 1.3-1.8 Почти полное прекра-
E. pratense - на лугах суглинок щение; заливание только в катастроф. паводки
Sanguisorba officinalis - Легкий и средний 1.3-1.9 Почти полное прекра-
на лугах суглинок щение; заливание только в катастроф. паводки
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОЦЕНКИ НАРУШЕНИЙ ПОЙМЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ Продолжение Таблицы 2.
Доминирующие виды Гранулометрический УГВ в ме- Изменение характера
растении состав почвогрунтов жень, м паводковых затоплений
Cirsium arvense, Тяжелый и средний 1.9-2.5 Почти полное прекра-
C. vulgare - на лугах суглинок, глина щение; заливание только в катастроф. паводки
Carduus acanthoides Легкий суглинок, песок 2.4-3.0 Почти полное прекра-
на лугах иногда с глинистыми прослоями щение; заливание только в катастроф. паводки
Carduus personata, Средний и тяжелый 1.4-1.9
C. crispus, C. palustre, Cirsium pannonicum, C. eriophorum - на суглинок, глина иногда с прослоями песка Полное прекращение паводков
лугах и в разреженных
лесах
Impatiens glandulifera - Легкий и средний 1.2-1.9 Почти полное прекра-
в осветленных лесах суглинок, песок иногда подстилаемый галькой щение; заливание только в катастроф. паводки
Lysimachia vulgaris, Тяжелый суглинок, глина 1.5-2.0 Полное прекращение
Impatiens parviflora - с редкими прослоями ср. паводков
в лесах суглинка и песка
Aegopodium podagraria Легкий и средний 1.8-2.5 Полное прекращение
в лесах суглинок, песок паводков
Urtica dioica - Легкий и средний 2.1-2.3 Почти полное прекра-
на лугах и в лесах суглинок, песок иногда подстилаемый галькой щение; заливание только в катастроф. паводки
Equisetum hyemale, Equisetum pratense, Средний и тяжелый суглинок 2.0-2.5 Полное прекращение паводков
зеленые мхи - в лесах
Alliaria petiolata, Impatiens parviflora - Тяжелый суглинок, глина с редкими прослоями ср. 2.5-3.5 Полное прекращение паводков
в лесах суглинка и песка
* - имеется в виду присутствие тростника в нехарактерных местообитаниях, например, в дубовых и тополевых лесах и на лугах средних и верхних уровней пойм.
По проявлению установленных индикаторных видов растений на лугах и в травяном ярусе лесов можно установить степень нарушенности пойменных экосистем и необходимость восстановительных мероприятий. Нами была разработана 6-и балльная шкала для оценки происходящих изменений (табл. 3). Так, например, равномерное распространение на лугах одного из индикаторных видов растений - наземной формы горца земноводного (Polygonum amphibium), после слияния его микроочагов и субдоминировании на верхней пойме зарегулированной реки Саале (Германия), соответствует 4 -ой - сильной степени нарушения пойменных экосистем. Для преодоления подобного негативного последствия зарегулирования речного стока нужны уже мероприятия по изменению гидрологического режима реки. Образование монодоминантных сообществ из Xanthium albinum и Impatiens glandulifera на втором и третьем пойменных уровнях в устье реки Саале соответствует очень сильной (5-ой) степени нарушенности экосистем. Подобные экосистемы из Xanthium albinum
Таблица 3. Оценка степени нарушений пойменных экосистем на основе распространения индикаторных видов растений (в том числе сорняков) в результате зарегулирования НГС и СГС для зоны широколиственных лесов и лесостепи. Table 3. The assessment degree of broken floodplain ecosystems on the basis of distribution of indicators species of plants (including weeds) as a result regulated LHW and MHW for zone broad-leaved forests and forest-steppe.
Степень нарушения экосистем Проявление индикаторных видов растений на лугах и в травяном ярусе лесов на площадках 10 м Степень нарушенности пойменных экосистем и необходимость рекультивационных мероприятий
0 - не опасно 1-3 экземпляра вида (с обилием Un-sol) Практически естественное состояние экосистем, восстановление не требуется
1 - очень слабая Более 10 экземпляров вида (с обилием sp) и проективным покрытием вида до 20% Очень слабо измененное состояние экосистем, необходим мониторинг за дальнейшим развитием процессов
2 - слабая Появление не менее 5-7 микроочагов (куртин) вида диаметром 0.5-1 м с обилием sp gr - cop1 Слабо измененное состояние экосистем, необходимы локальные мероприятия по осушению поймы
3 - средняя Образование не менее 10-15 микроочагов (куртин) вида диаметром 1-2 м с обилием sp gr - cop1 Средне измененное состояние экосистем, требуются локальные гидро- и лесотехнические мероприятия
4 - сильная Полное слияние микроочагов и/или равномерное распространение вида по площади с обилием sp3-сор1 Сильно измененное состояние экосистем, наряду с локальными (гидро-и лесотехническими) нужны мероприятия по изменению гидрологического режима реки
5 - очень сильная Полное доминирование вида (с обилием cop2-cop3), вплоть до образования монодоминантных сообществ Полностью измененное состояние экосистем, требуются мероприятия по изменению гидрологического режима реки
и Impatiens glandulifera с высокой степенью нарушений повсеместно распространены также в зарегулированной пойме Рейна. Для бассейна реки Сейм (Центральная Россия), а также для бассейна Волги (Россия), Дуная и Саале (Германия) наиболее характерны луга с доминированием и субдоминированием сорнотравья (Cirsium arvense, C. vulgare, Carduus acanthoides, Carduus per sonata, C. crispus, C. palustre), которые относятся к 3-ей и 4-ой степеням нарушения экосистем в результате зарегулирования стока. В тоже время самые максимальные степени нарушений от НГС - образование практически монодоминантных сорнотравных лугов - встречаются пока только в Германии (р. Саале). Это связано с более ранним началом эпохи зарегулирования стока рек (с середины позапрошлого века) и с большим размахом гидротехнического строительства в этой стране, по сравнению с Россией. Однако со временем, при существующей тенденции повышения годовых сумм атмосферных осадков, особенно за счет зимнего полугодия (Кузьмина, 2GG76, 2007в) и перспективах дальнейшего гидротехнического строительства следует ожидать повсеместное образование сорнотравных нарушенных экосистем в поймах зарегулированных рек. Это может привести
в будущем к нивелировке растительного покрова пойм, многократному сокращению биоразнообразия, исчезновению индивидуальности пойменных ландшафтов различных регионов.
В ходе определения индикационных изменений в структуре экосистем в результате воздействия НГС и СГС были определены сопутствующие биологические показатели. Они не являются достаточными при установлении степени нарушенности экосистем, но обязательно сопутствуют нарушениям от воздействия ГС. К ним относятся: флуктуационная изменчивость, изменение видового разнообразия и продуктивности (табл. 4).
Таблица 4. Сопутствующие биологические показатели степени нарушения пойменных экосистем для зоны широколиственных лесов и лесостепи при зарегулировании НГС и СГС. Table 4. Accompanying biological indices the degree of broken floodplain ecosystems for zone broad-leaved forests and forest-steppe under regulated LHW and MHW.
Степень нарушения экосистем Сопутствующие биологические показатели
Флуктуационая изменчивость* Видовое разнообразие (леса, луга) Продуктивность и кормовая ценность лугов
0 - не опасно Менее 70%** Менее 50%*** Изменений нет Изменений нет
1 - очень слабая Менее 70% Менее 50% Изменений нет Очень слабое ухудшение: участие колючего сорнотравья не более 3% от общего проективного покрытия (пр. п.)
2 - слабая Менее 70% Менее 50% Изменения незначительные, менее 5% Слабое ухудшение: участие колючего сорнотравья в 3-7% от пр. п.
3 - средняя Более 70% Менее 50% Сокращение на 525% Падение кормовой ценности на 20-50%
4 - сильная Более 70% Более 50% Сокращение в 1.51.9 раза Сокращение продуктивности в 1.5- 2 раза и кормовой ценности на 50-70%
5 - очень сильная Более 70% Более 50% Сокращение в 2-4 раза Сокращение продуктивности в 3-4 раза; полное падение кормовой ценности
Примечания: * - флуктуационная изменчивость сообществ рассматривается на основе соотношения постоянных видов растений в ежегодном и многолетнем флористических списках видов данного местообитания за ряд лет (3-5), этот показатель также полностью соответствует для нарушений от НГС и СГС в зоне пустынь и полупустынь; ** - процент постоянных видов растений от ежегодного флористического списка метообитания; *** - процент постоянных видов растений от многолетнего (общего) флористического списка местообитания. Notes: * - the fluctuation variability of communities is consideration on the basis of ratio of constant species of plants in annual and long-term floristic lists of species of the given habitat for number of years (3-5), this parameter also completely corresponds for broken from LHW and MHW in zone of deserts and semideserts; ** - percent of constant species of plants from the annual floristic list habitat; *** -percent of constant species of plants from the long-term (general) floristic list of habitat.
Максимальные изменения в пойменных экосистемах в результате зарегулирования НГС наблюдаются в непосредственной близости от плотины (в зоне подпора), а также в зарегулированной устьевой части реки, где изменение и гибель первоначальных экосистем происходит в 1.5-2 раза быстрее, чем в срединных частях зарегулированных участков речных долин. Здесь также отмечается более сильное сокращение видового разнообразия (иногда до 4-5 видов как в лесах, так и на лугах) и более сильное понижение флуктуационной изменчивости в экосистемах, вплоть до полной редукции с последующей стабилизацией их состояния.
Было установлено, что устойчивое функционирование пойменных экосистем после зарегулирования стока реки возможно лишь при сохранения минимального характера флуктуаций (ежегодных изменений) в составе сообществ. Присутствие постоянных видов растений в размере менее 70% от ежегодного флористического списка местообитания и менее 50% от общего многолетнего флористического состава этого же местообитания указывает на удовлетворительное состояние наземной пойменной экосистемы и естественный характер флуктуаций в ней (табл. 5).
Таблица 5. Изменение флористического состава экосистем (флуктуационная изменчивость) постоянных модельных участков экологического профиля "Банищанская дача" (р. Сейм) с 1996 по 2001 годы в естественных условиях (без влияния регулирования стока) зоны широколиственных лесов. Table 5. The changes of floristic compositions of ecosystems (fluctuation variability) of constant model sites ecological profile "Banizhanskaya dacha" (river Seym, Central Russia) since 1996 on 2006 years in natural conditions (without impact of regulation flow) of broad-leaved forests zone.
Название экосистемы (ассоциации) Недотро-гово-еже-виковая с подрост. вяза,ясеня Купено-во-ясе-нево-дубовый лес Черемухо-во-кленово-ольховый снытьевый лес Ракитово-кленовый ежевиково-снытьевый лес Ивовое маннико-во-дву-кисточ-никовое Разнотравно-злаковое
Ежегодное кол-во видов в сообществе 15-19 17-21 21-38 15-29 20-24 20-42
Постоянные виды от ежегодной флоры сообщ-ва, % (<70%) 64* 65 68 53 65 63
Постоянные виды от общей (многол.) флоры сообщ., % (<50%) 34 34 38 24 34 38
Сменяющиеся виды от общей (многол.) флоры сообщества, % 20 19 19 22 19 32
64* - здесь и далее указан средний процент за все годы. 64* - Mean percent for all years.
Если процент постоянных видов растений превышает допустимый уровень в 70% (от ежегодного) и в 50% от многолетнего флористического списка (того же местообитания) -экосистемы следует считать антропогенно нарушенными, для них следует разрабатывать специальные меры реабилитации (табл. 6). При этом показатели флуктуационной изменчивости для нарушенных и естественных пойменных экосистем, разработанные для зоны широколиственных лесов и лесостепи полностью соответствуют таковым и для пустынной зоны (бассейн Амударьи, табл. 7).
Таблица 6. Изменение флористического состава экосистем (флуктуационная изменчивость) экологического профиля "Оброчное" в бассейне р. Сейм (Центральная Россия) с 1996 по 2001 годы в антропогенно измененной пойме (в зоне влияния Курчатовского водохранилища) в зоне широколиственных лесов. Table 6. The changes of floristic compositions of ecosystems (fluctuation variability) in ecological profile "Obrochnoe" in river basin Seym (Central Russia) since 1996 on 2006 years in anthropogenic changes floodplain (in zone impact of Kurchatov water reservoir) in zone of broad-leaved forests.
Название экосистемы (ассоциации) Quercus robur+Tilia cordata-Ulmus... Salix fragilis-S. cinerea- Rubus caesius -Mixteherbosa Quercus robur+ Alnus glutinosa... Salix cinerea- Rubus caesius-Carex rostrata Quercus robur+ Tilia cordata-Ulmus...
Ежегодное кол-во видов в сообществе 18-22 21-29 22-27 13-15 15-17
Постоянные виды от ежегодной флоры сообщ-ва, % (<70%) 96* 71 83 85 75
Постоянные виды от общей (многол.) флоры сообщ., % (<50%) 75 42 61 73 60
Сменяющиеся виды от эбщей (многол.) флоры сообщества, % 3 18 13 13 32
Количественные изменения сопутствующих показателей степени нарушения экосистем способствуют более точной оценке территорий при проведении экологической экспертизы и различных специализированных оценок для сельского и лесного хозяйства, а также для заповедного дела, поскольку могут повышать или понижать на одну ступень основной показатель - степень нарушения ландшафтов экосистем - в зависимости от величины собственных значений.
При экспертной оценке территорий, в зависимости от используемых видов растений индикаторов зарегулирования ГС (и/или пойменного уровня), один или два сопутствующих биологических показателя (видовое разнообразие, продуктивность и кормовая ценность) могут быть выше или ниже на одну-две ступени, чем основной показатель (проявление видов индикаторов зарегулирования ГС). В этом случае при специализированной оценке следует сделать увеличение (или уменьшение) на одну ступень при выделении степени нарушений территорий от ГС. Например, для заповедных территорий важнейшим из сопутствующих показателей, повышающих степень нарушений от ГС, является снижение видового разнообразия. Для используемых в сельском хозяйстве лугов, такими сопутствующими показателями, повышающими степень нарушений от ГС, являются снижение продуктивности и кормовой ценности угодий, а для лесного хозяйства таковыми будут -изменение видового разнообразия и флуктуационной изменчивости в экосистемах.
Таким образом, лишь на последних этапах решения проблемы негативного влияния ГС возможно определение степени нарушений экосистем. Как уже отмечалось, алгоритм решения проблемы негативного влияния ГС является универсальным и может
использоваться для любых гидротехнических сооружений (низко-, средне- и высоконапорных), а также в разных природных зонах. При этом, зональные особенности использования алгоритма будут проявляться более всего на последних этапах его решения, при выделении соответствующих растений - индикаторов зарегулирования ГС, а также возможно при использовании индикационных изменений в структуре экосистем. При этом для близкорасположенных географических зон (широколиственных лесов, лесостепей и степей), виды растений - индикаторов зарегулирования (НГС и СГС) во многом будут близки. Кроме того, для зон с дефицитом осадков проявление сопутствующих биологических показателей будет сходным.
Таблица 7. Изменение флористического состава тугайных экосистем (флуктуационная изменчивость) на модельных участках заповедника "Бадай-тугай" (Узбекистан) с 1996 по 2008 годы в антропогенно измененной пойме р. Амударьи (в зоне влияния Туямуюнского водохранилища), пустынная зона. Table 7. The changes of floristic compositions of tugai ecosystems (fluctuation variability) on model sites of "Baday-tugai" (Uzbekistan) reservation since 1996 on 2008 years in anthropogenic changes floodplain of river Amudarya (in zone impact of Tuyamuyun water reservoir), the desert zone.
Название экосистемы (ассоциации) Populus ariana- Erianthus ravennae-Gly-cyrrhiza glabra-Elymus multicaulis Populus ariana- Zygo- phyllum fabago Halostachys caspica-(Tamarix ramosis-sima) Salix songa-rica-Populus ariana Populus ariana-Tamarix ramasissima- Elymus multicaulis. Populus* ariana-Elaeagnus turcoma-nica
Ежегодное кол-во видов в сообществе 8-13 11-13 3-5 9 9-10 12-16
Постоянные виды от ежегодной флоры сообщ-ва, % (<70%) 80* 79 79 78 74 65
Постоянные виды от общей (многол.) флоры сообщ., % (<50%) 53 56 60 58 58 41
Сменяющиеся виды от общей (многол.) флоры сообщества, % 15 19 20 25 21 24
Примечание: * - молодой тугай Populus ariana-Elaeagnus turcomanica низкой поймы является аналогом естественной экосистемы (без влияния регулирования стока), т.к. образовался после 1987 года на бывшем обсохшем дне русла реки, вслед за падением среднего уровня воды в реке Амударья после строительства Туямуюнского водохранилища. Notes. * - young tugai Populus ariana-Elaeagnus turcomanica of lower floodplain is analog of natural ecosystems (without impact of regulating river) as was formed after of 1987 year on drying bottom land of river stream Amudarya, after lowering of water level in river Amadarya after construction of Tuyamuyun water reservoir.
В то же время для таежной зоны при влиянии подтопления от созданных Новосибирского и Камского водохранилищ в первые годы отмечалось увеличение продуктивности лугов в несколько раз, однако речь здесь идет не о бывших поймах, а лишь о вновь подтопляемых землях бывших автоморфных территорий (Вендров, Дьяконов, 1976). Кроме того, указанные водохранилища являются крупными гидротехническими сооружениями, и имеют различные основные процессы и характер их проявления в ландшафтах (табл. 1). При этом, этими же авторами указывалось, что для лесных экосистем
наблюдалось значительное снижение продуктивности в зоне влияния этих водохранилищ. Таким образом, изменение продуктивности экосистем, вне зависимости от размеров гидротехнических сооружений и нахождения в какой-либо из географических зон, все же является постоянным сопутствующим биологическим показателем воздействия зарегулирования стока на экосистемы.
Выводы
1. Основными факторами и процессами вызывающими негативные изменения пойменных экосистем в результате воздействия любых гидротехнических сооружений являются: стабилизация режима УГВ в поймах из-за выравнивания УВ в реках, изменение паводкового затопления (в основном сокращение), повышение (для НГС) или понижение (для СГС и ВГС) общей обводненности поймы, изменение характера и интенсивности почвообразования (повышение или понижение оглеения и/или ожелезнения, увеличение засоления, появление отакыривания и др.), что приводит к нарушению структурно-функциональной организации экосистем и развитию сукцессионных смен. Глубина и скорость трансформации экосистем зависит от интенсивности и продолжительности антропогенного воздействия.
2. Основными биологическими проявлениями нарушений от воздействия НГС и СГС (плотин, шлюзов и их каскадов) в пойменных наземных экосистемах зон широколиственных лесов, лесостепей, степей и пустынь являются:
О уменьшение видового разнообразия (в 2-4 раза от первоначального в лесах и на лугах; как общего многолетнего состава, так и ежегодного количества видов растений на отдельной модельной площади); О сокращение продуктивности лугов (в 3-4 раза на последних стадиях нарушений); О изменение состава экосистем: образование маловидовых, монодоминантных или сорнотравных лугов, непригодных для производства кормов; замена естественных типичных пойменных лесов (ивовых, вязово-дубовых, липово-дубовых, дубовых, туранговых, лохово-туранговых) на травяные экосистемы или на нетипичные (ольховые, ясеневые, солончаковые, пустынные) и искусственные тополевые насаждения; О сокращение флуктуационной изменчивости (как на лугах, так и в лесах).
3. Нарушения в пойменных экосистемах при зарегулировании можно выявить по устанавливаемому для каждой географической зоны списку видов растений - индикаторов зарегулирования в зависимости от гранулометрического состава почвогрунтов, залегания УГВ в межень и изменения характера паводковых затоплений. Основными видами -индикаторами зарегулирования НГС для зоны широколиственных лесов и лесостепи являются: Cirsium arvense, C. vulgar e, Carduus per sonata, C. crispus, C. palustre, C. acanthoides, Impatiens glandulifera, I. parviflora, Equisetum hyemale, Polygonum amphibium (наземная форма) и др.
4. Пойменные экосистемы, близкие к естественным, отличаются значительными разногодичными изменениями растительных сообществ и большим видовым разнообразием. Экосистемы, в течение длительного времени сильно нарушенные в результате ГС (НГС, СГС) и зарегулирования стока, отличаются очень слабой флуктуационной изменчивостью и меньшим (в 2-4 раза) видовым разнообразием: доля постоянных видов растений здесь обычно превышает предельно допустимый уровень - 70% от ежегодного и 50% от многолетнего флористического списка; для таких экосистем следует разрабатывать специальные меры реабилитации.
5. Оценка степени нарушений пойменных экосистем от воздействия гидротехнических сооружений (НГС и СГС) и необходимость восстановительных мероприятий
устанавливается по степени проявления видов растений - индикаторов зарегулирования ГС и изменению сопутствующих биологических показателей в экосистемах (флуктуационной изменчивости, видового разнообразия и продуктивности).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авакян А.Б., Салтанкин В.П., Шарапов В.А. Водохранилища. М.: Мысль, 1987. 325 с.
2. Антропогенные воздействия на водные ресурсы России и сопредельных государств в конце ХХ столетия. Отв. ред. Н.И. Коронкевич и И.С.Зайцева. М.: Наука, 2003, 367 с.
3. Бахиев А.Б., Трешкин С.Е., Кузьмина Ж.В. Формирование и развитие тугайной растительности Средней Азии в условиях антропогенного воздействия // Вестник ККО АН Узбекистана. Нукус, 1992. № 4. С.8-15.
4. Бахиев А., Трёшкин С.Е., Кузьмина Ж.В. Современное состояние тугаев Каракалпакстана и их охрана. Нукус: Каракалпакстан. 1994. 72 с.
5. Вендров С.Л., Дьяконов К.Н. Водохранилища и окружающая среда. М.: Наука, 1976. 135 с.
6. Глазовский Н.Ф. Аральский кризис: причины возникновения и пути выхода. - М: Наука, 1990. 136 с.
7. Ильина И.С. Эколого-динамическая концепция и категории устойчивости растительного покрова пойм рек// Экосистемы речных пойм: структура, динамика, ресурсный потенциал, проблемы охраны. М., 1997. С. 18-80.
8. Коронкевич Н.И., Малик Л. К. Основные подходы к географо-экологическому прогнозированию влияния гидротехнического строительства на природную среду // Энергет. стр-во. 1992. № 6. С. 39-48.
9. Кузьмина Ж.В. Зависимости показателей структуры растительных сообществ от факторов среды // Экосистемы речных пойм. М., 1997а. С.544-550.
10. Кузьмина Ж.В. Классификация растительности дельты Амударьи // Ботанический журнал. 1997б. Т.82. №1. С.86-101.
11. Кузьмина Ж.В. Сохранение генетического разнообразия флоры пойм Юго-Западного Туркменистана // Аридные экосистемы. Т.3. №5. 1997в. С.102-117.
12. Кузьмина Ж.В. Оценка влияния изменений водного режима на динамику наземных экосистем в долинах европейских рек // Биогеография. №11. 2003. С.99-109.
13. Кузьмина Ж.В. Оценка последствий изменения режима речного стока для пойменных экосистем при создании малых гидротехнических сооружений на равнинных реках // Метеорология и гидрология. 2005а. №8. С.89-103.
14. Кузьмина Ж.В. Последствия изменения режима речного стока для пойменных экосистем при создании малых (низконапорных) гидротехнических сооружений на равнинных реках // Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы. М.: Наука, 2005б. С.134-163.
15. Кузьмина Ж.В. Воздействие низконапорных гидротехнических сооружений на динамику наземных экосистем зоны широколиственных лесов Центральной и Восточной Европы. Автореф. дисс. докт. г.н., 2007а, 44 с.
16. Кузьмина Ж.В. Анализ многолетних метеорологических трендов на Юге России и Украины (от лесостепи до пустынь)// Аридные экосистемы. Т. 13. № 32. 2007б. С. 47-61.
17. Кузьмина Ж.В. Анализ изменений многолетних метеорологических характеристик и их воздействие на динамику экосистем // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Науки о земле. 2007в. №6. С. 25-36.
18. Кузьмина Ж.В., Новикова Н.М. Эколого-динамическая характеристика растительных сообществ в дельтах рек Амударья и Сырдарья//Экосистемы речных пойм. М., 1997.
С.472-543.
19. Кузьмина Ж.В., Новикова Н.М., Подольский С.А. Использование экотонной концепции для обоснования водоохранных зон прибрежных территорий // Аридные экосистемы. Том 12. №30. 2006. С.104-108.
20. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Засоление почв и динамика пойменной - тугайной растительности // Почвоведение. 1997. №6. С.726-735.
21. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Особенности развития и сохранения тугайных лесов в связи с цикличностью катастрофических паводков // Сохранение и защита горных лесов. Ош, 1999. С.38-44.
22. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Оценка влияния Южно-Каракалпакского магистрального коллектора на заповедник Бадай-Тугай // Аридные экосистемы. Т.9. №19-20. 2003. С.93-105.
23. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Прогнозная оценка изменения экосистем при создании крупного коллектора в бассейне Амударьи // Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы. М.: Наука, 2005. С.316-341.
24. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Рекультивация солончаков обсохшего дна Аральского моря в изменяющихся климатических условиях // Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель. Екатеринбург: Изд-во Уральского Университета, 2007. С. 391-408.
25. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Современное состояние флоры и растительности заповедника "Бадай-Тугай" в связи с изменением гидрологического режима // Ботанический журнал. т.86. №1. 2001. С.73-84.
26. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Экологические последствия строительства ЮжноКаракалпакского магистрального коллектора//Проблемы освоения пустынь. 2004. 1. С.13-16.
27. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е., Хенрихфрайзе А. Микроочаговые процессы в связи с локальным изменением обводненности территорий // Микроочаговые процессы-индикаторы дестабилизированной среды. М., 2000. С.26-34.
28. Новикова Н.М. Механизм трансформации пойменной растительности при зарегулировании речного стока (Волго-Ахтубинская пойма) // Современная динамика компонентов экосистем пустынно-степных районов России. М., 2001. С. 41-54.
29. Новикова Н.М., Кузьмина Ж.В. Мониторинг ландшафтно-экологических процессов в дельте Амударьи: по результатам исследований на муйнакской международной станции // Аридные экосистемы. т.6. №13. 2000. С.23-36.
30. Новикова Н.М., Кузьмина Ж.В., Подольский С.А., Балюк Т.В. Экологическое обоснование подходов к нормированию регулирования режима речного стока // Поволжский экологический журнал. №3. 2005. С.227-240.
31. Панкова Е.И., Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Влияние грунтовых вод на состояние почвенного и растительного покрова в оазисах Южной Гоби Монголии и перспективы рационального использования земель // Водные ресурсы. 1994. 21. № 3. С.358-364.
32. Панкова Е.И., Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Состояние тугайной растительности в оазисах Южной Монголии и перспективы их восстановления // Аридные экосистемы. Т. 2. № 2-3. Москва, 1996. С.131-144.
33. Плисак Р.П., Огарь Н.П., Султанова Б. М. Продуктивность и структура лугов пустынной зоны. Алма-Ата: Наука, 1989. 187 с.
34. Плисак Р.П. Изменение растительности дельты р. Или при зарегулировании стока. Алма-Ата: Наука, 1981. 216 с.
35. Трешкин С.Е., Кузьмина Ж.В. Структура древесно-кустарниковых тугаев низовьев Амударьи // Вестник КК ФАН УзССР. №4. Нукус, 1989.С.35-39.
36. Трешкин С.Е., Кузьмина Ж.В. Современное состояние пойменных лесных экосистем рек Амударьи и Сумбара в связи с антропогенным воздействием // Проблемы освоения пустынь. Ашхабад, 1993. № 2. С.14-19.
37. Шульга В. Д. Устойчивость мелиоративных древостоев степных ландшафтов: методология и практика адаптации. Волгоград: Изд-во ВНИАЛМИ, 2002. 158 с.
38. Jährling Karl-Heinz. Die Flussmorphologischen veraenderungen an der Mittlere Elbe im Regierungsbezirk Magdeburg seit dem Jahr 1989 aus Sicht der Oekologie. Magdeburg: Meiling Druck, 1995. 62 S.
39. Henrichfreise A. Uferwaelder und Wasserhaushalt der Mittelelbe in Gefahr. Natur und Landschaft. 71. Jg. Heft 6. 1996. S. 246-248.
40. Henrichfreise A. Zur Erfassung von Grundwasserstandsschwankungen in Flussauen als Grundlage fuer Landeskultur und Planung - Beispiele von der Donau // Anwendte Landschaftsoekologie. H. 37. 2000. S. 13-21.
41. Hochwasserschutzmassnahmen am Oberrhein im Raum Breisach zur Pruefung der Umweltvertraeglichkeit. Redaktion A.Henrichfreise. Bonn-Bad Godesberg, 1988. 148 S.
42. Hugin G., Henrichfreise A. Vegetation und Wasserhaushalt des rheinnahen Waldes. Bonn-Bad Godesberg: Landwirtschaftsverlag GmbH, 1992. 48 S.
43. Kouzmina J.V. Soil Salinization and floodplain Ecosystems of South-West Turkmenistan // Sabkha Ecosystems. Vol. 2. West and Central Asia. Ed. By M. Ajmal Khan et al. Springer science, 2006. pp.99-111.
44. Kouzmina J. V. The impact of natural and human-induced changes in the river flow and the climate on flood plain ecosystems in the middle Elbe river basin // Ecological Engineering and Environment Protection. №2. 2004. pp.5-15.
45. Kouzmina J.V., Treshkin S.Y., Avetjan S.A., Henrichfreise A. Assessment of consequences change of river flow regime for floodplain ecosystems under building small and middle hydrotechnical constructions // Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2005. Vol. 53. №1. pp. 3-16.
46. Kouzmina J., Treshkin S., Henrichfreise A. The Monitoring Comparative Results of the Floodplain Ecosystems in Regulated and Natural Part of the Danube River (Geisling-Passau) // Korean Journal of Ecology. 2004. Vol. 27. № 4. pp. 211-216.
47. Kuz'mina Zh.V., Treshkin S.Y. Assesment of Effects of Disharged waters upon Ecosystems // Ecology and Ecosystems. Ed. By Igor S.Zektser. Springer science, 2006. pp. 149-160.
48. Novikova N.M., Kust G.S., Kuzmina J.V., et. al. Contemporary plant and soil cover changes in the Amu-Dar'ya and Syr-Dar'ya river deltas // Ecological Research and Monitoring of the Aral Sea Deltas. UNESCO: Paris, 1998. pp. 55-80.
49. Novikova N.M., Kuz'mina J.V., Dikareva T.V. et. al. Preservation of the tugai biocomplex diversity within the Amu-Darya and Syr-Darya river deltas in aridization conditions // Ecological research and monitoring of the Aral sea deltas. Boock 2. UNESCO: Pronting Sagraphic, Barcelona, 2001. pp. 155-188.
50. The Pan-European Biological and Landscape Diversity Strategy. Netherlands, 1996. 100 р.
51. Treshkin S.E. The Tugai forests of floodplain of the Amudarya river: ecology, dynamics and their conservation. Sustainable Land Use in Deserts. Springer Publisher-Heidelberg-Stuttgart-New York, 2000. pp.95-102.
THE METHOD OF IDENTIFICATION AND ASSESSMENT OF DISTURBANCES OF FLOODPLAIN ECOSYSTEMS UNDER WATERWORKS
© 2008. Zh.W. Kuzmina, S.Y. Treshkin
*Water Problems Institute Russian Academy of Sciences Russia, 119333Moscow, Gubkina str. 3, E-mail: jannaKV@yandex.ru ** Russian Agricultural Academy of Sciences Russia, 117218Moscow, Krzhizhanovskogo str. 15/2. E-mail: E-mail: biost@yandex.ru
Abstract. For the first time on the basis of development of algorithm of the decision problem of assessment influence of low-head waterworks on terrestrial ecosystems, the general method identification of broken floodplain ecosystems are developed and will be use for several geographical zones (broad-leaved forests, forest-steppe, deserts) with presence of various waterworks. Distinctions of processes and character of their display in landscapes under exploitation of medium- head (MHW) and high-head (HHW) and low-head waterworks (LYW) has been identify.
Key words: anthropogenous changes of river flow, inundated levels, ecosystems, fluctuations variability of communities, plants indicators of regulated, degradation, negative soil processes, claying and salted soils.
The whole complex of field investigations should be implemented as based upon the algorithm, which has been elaborated with the purpose to solve the problem of evaluating the adverse effects of waterworks on terrestrial floodplain ecosystems (Kuz'mina, 2007; Kuz'mina et.al., 2000, 2006; Novikova, Kuz'mina et.al., 2001; Kuz'mina, 2003, 2005a, 2005b; Kouzmina, 2004; Kouzmina et.al., 2004, 2005; Novikova, Kuz'mina et.al., 2005a, 2005b, 2006). This algorithm implies the following stages:
❖ Trends in changes of hydrological and meteorological characteristics (or their absence) should be
determined within the regions under study by:
- analyzing the changes in the water regime during the whole period of instrumental observations (fluctuations of mean annual, maximal and minimal water levels and discharge in time) and identifying the really valuable trends (or their absence);
- studying the identical and seasonal changes in the precipitation and air temperature to outline the most reliable trends (or their absence).
❖ Available changes in watering of floodplain should be studied by:
- comparing the characteristics of the water regime in regulated and unregulated (conditionally "natural") river flows and their sites taking into account the combined effects of the regulated water flow and tendencies in changes for many years;
- identifying the changes in the frequency rhythm of floods (flood recurrence for biotopes of various ecological levels);
- determining the changes in the fluctuation amplitude of the groundwater table to establish its critical depth as a result of comparing these values for natural territories and those destroyed by the regulated river flow;
- studying the changes in distribution of gley horizons and in the character of ferrugination throughout the soil profie.
❖ Presence and degree of destruction in ecosystems should be specified by:
- defining the destruction character in evolutional-dynamic rows of natural complexes for different regimes of floodplain functioning;
- identifying and using the plant species as indicators of the regulated river flow in order to show the effects of waterworks on ecosystems including their initial stage;
- determining and using the indication values of changes in the structure of ecosystems to evaluate the destruction degree and to recommend the required measures for further restoration of floodplains.
The destruction degree and required measures to rehabilitate the destroyed ecosystems can be evaluated according to:
- the manifestation extent of plant species - indicators of the regulated river flow;
- the change in structure of floodplain ecosystems (fluctuation change);
- the change in accompanying biological indices (diversity of plant species, productivity and fodder production for meadows).
It was established that the sustainable (satisfactory) functioning of floodplain ecosystems after regulating the natural river flow is possible only if the character of fluctuations (annual changes) in the composition of plant communities proves to be close to natural one. As regards the destruction degree (the latter being divided into: 0 - no destruction, 1 - very slight, 2 - slight, 3 - moderate, 4 - strong, 5 - very strong), it is possible to evaluate the qualitative and quantitative composition of plant indicators in ecosystems as well as quantitative changes in accompanying biological indices. Among them are changes in the diversity of plant species, in fluctuations of plant communities, in fodder and total productivity of meadow ecosystems.
A higher fluctuation change in the plant community should be considered as an indicator of its safety and stability. The favorable status of terrestrial floodplain ecosystems and the natural character of fluctuations in them are evidenced by the presence of constantly growing plant species in the amount of less than 70% (55-60% on the average) from annual and less than 50% from perennial floristic list. If the percentage of plant species is exceeding the permissible level (70% of annual and 50% of perennial floristic list), the ecosystems seem to be anthropogenically transformed and require special measures to be restored.
