CC BY
45
УДК 504.06+504.054/056
РАСТИТЕЛЬНАЯ ПОДСИСТЕМА СРЕДНЕГО ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА: ПРОБЛЕМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
© 2010 г. И.А. Ильченко
Таганрогский институт управления и экономики, Taganrog Institute of Management and Economy,
ул. Петровская, 45, г. Таганрог, 34 7900, Petrovskaya St., 45, Taganrog, 347900,
i. ilchenko@mail. tmei.ru i. [email protected]
Изучено функционирование растительной подсистемы среднего промышленного города в условиях антропогенного загрязнения методом когнитивного моделирования. Проведено сценарное моделирование воздействий на состояние ее параметров. Предложены методы улучшения состояния растительной подсистемы и городской среды обитания.
Ключевые слова: экосистема среднего промышленного города, антропогенное загрязнение, когнитивная модель функционирования растительной подсистемы города, сценарный анализ, озеленение, фитомелиорация.
The functioning of vegetable subsystem of average industrial town under anthropogenic pollution conditions have been studied by means of cognitive modelling. Scenario modelling of the actions on the its parameters is carried out. The ways of improvement vegetable subsystem state and human environment have been developed.
Keywords: vegetable subsystem of average industrial town, anthropogenic pollution, cognitive model of the functioning of urban vegetable subsystem, analysis of scenario processes, phytomelioration, planting of trees and gardens.
Урбанизация является неотъемлемой чертой экономического развития и приводит к комплексу негативных изменений в природных и искусственных экосистемах, включая городские, а решение проблем, связанных с производством, неизменно сопровождается усилением антропогенного воздействия на природную среду [1]. Поддержание благоприятных пара-
метров для жизнедеятельности живых организмов в урбоэкосистемах в основном выполняет городская растительность, поэтому важно обеспечить ее нормальное функционирование. Так, сокращение площади почвенно-растительного слоя и покрытие почвы непроницаемым слоем при строительстве, загрязнение окружающей среды различными отходами и ан-
тропогенные наносы обусловливают повышение удельной антропогенной нагрузки на городскую растительность, снижают ее видовое разнообразие, вызывают деградацию и гибель [2].
Объектом данной работы является растительная подсистема г. Таганрога, а предметом - изучение процессов функционирования растительной подсистемы среднего промышленного города. Цель исследования заключалась в изучении особенностей функционирования растительной подсистемы города в условиях антропогенного загрязнения и выработке предложений по ее совершенствованию и обеспечению необходимого качества среды обитания г. Таганрога. Для достижения полученной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) изучить состояние системы городских зеленых насаждений;
2) разработать когнитивную модель функционирования растительной подсистемы городской экосистемы в условиях химического загрязнения воздуха;
3) провести ситуационное моделирование возможных вариантов изменения отдельных параметров природной подсистемы города на основе созданной модели;
4) предложить направления совершенствования растительной подсистемы города и обеспечения благоприятной среды обитания горожан.
Город Таганрог занимает территорию 8 021 га, на которой располагаются жилые застройки (49 %), промышленные предприятия (19), земли под военными и режимными объектами (8), земли транспорта, связи и инженерных коммуникаций (5 %) и другие, тогда как на долю озелененных пространств приходится 8,6 % [3-7]. В свою очередь они представлены парками и скверами (71 %), городскими лесами (9), зелеными насаждениями селитебной зоны, улиц и автодорог (20 %) [7].
Анализ системы зеленых насаждений обнаружил ее неразвитость в центральной части города, значительную автономность больших зеленых массивов и их изолированность от загородных открытых пространств. Величина лесистости не превышает 20 % (при нормативе 25-30 % и выше) [2, 7]. Расположение зеленых насаждений на территории города определяет степень испытываемого ими антропогенного воздействия, их биологическую продуктивность и устойчивость [8]. Городские леса характеризуются умеренным антропогенным воздействием, парки и скверы -средним, растения селитебной зоны - высоким, а линейные насаждения вдоль автомагистралей и улиц -очень высоким. Степень биологической продуктивности и устойчивости таких фитоценозов понижается от средней для городских лесов до очень низкой у линейных насаждений.
Вследствие естественного старения и отсутствия надлежащего ухода растительная подсистема г. Таганрога характеризуется следующими особенностями [7]:
- износ зеленых насаждений города составляет около 87 %;
- сухостойные и больные деревья, представляющие потенциальную опасность для населения и инженерных коммуникаций, имеют численность примерно 2750 экз.;
- возраст значительной части древесных насаждений (6 950 экз.) превышает биологический цикл их существования, в кронах таких деревьев в большом количестве обнаруживаются сухие ветви, стволы поражены гнилью и имеют дупла, поэтому в случае грозы, сильного снегопада, дождя или ветра они могут стать источниками аварий;
- в течение многих лет не производился капитальный ремонт насаждений, не высаживались новые деревья взамен удаленных, почва на клумбах потеряла плодородие, большинство газонов частично утратило травяной покров и декоративность.
Для изучения особенностей функционирования растительной подсистемы города была разработана когнитивная модель (рис. 1), отражающая важнейшие процессы природной подсистемы в условиях антропогенного загрязнения. Построение модели, ее анализ и последующее моделирование были осуществлены с помощью программ [9]. Весовые коэффициенты дуг определялись на основе среднемноголетних данных санитарно-гигиенического и экологического мониторинга г. Таганрога [3-7].
Анализ когнитивной модели показывает, что химическое загрязнение воздуха (вершина V1) вызывает цепь неблагоприятных последствий в городском биоценозе и почвах. Такие аэрополлютанты, как оксиды серы и азота, соединения свинца, полиароматические углеводороды и другие, вызывают нарушения физиологических процессов в вегетативных и генеративных органах растений. К ним относятся, во-первых, замедление роста и развития деревьев, некроз и засыхание листьев, повреждения коры (вершины V2 и V3) [8, 10-12], в результате чего снижается степень обли-ственности кроны (вершина V6). Во-вторых, угнетение травянисто-кустарникового яруса (вершина V4), появление мертвопокровных участков почвы (вершина V5) приводят к повышению температуры напочвенного слоя (вершина V7) и изменению микроклимата (вершина V12) и способствуют развитию почвенных вредителей растений (вершина V10) и листог-рызущих насекомых (вершина V8). Действительно, одной из существенных особенностей городских экосистем является техногенная аридизация климата, обусловленная особенностями застройки и наличием на их территориях разнообразных лесных, кустарниковых или травянистых биоценозов, разделенных зданиями, сооружениями и коммуникациями. Поэтому температура городских почв оказывается на несколько градусов выше, а их влажность ниже по сравнению с загородными пространствами [10]. Устойчивость наземных экосистем к стрессу прямо зависит от количества почвенного гумуса, поэтому обедненные гумусом урбоэкосистемы обладают слабой устойчивостью [13]. Следствием всех этих негативных процессов является угнетение жизнедеятельности городских растений, снижение их устойчивости к загрязнителям (вершина V11), что отрицательно сказывается на их развитии и выполнении ими средоформирую-щих функций (создание микроклимата, поддержание газового баланса в воздухе, рекреация и т.д.). В модель не включено влияние загрязнения почв на жизнедеятельность компонентов фитоценоза, так как в
урбоэкосистемах листовое поглощение многих загрязнителей превышает корневое из-за кислого характера городских почв, низкого содержания гумуса,
фосфора и других факторов, препятствующих усвоению корнями тяжелых металлов и других поллютан-тов [8, 10-12].
Рис. 1. Влияние загрязнения воздуха на функционирование растительной подсистемы урбоэкосистемы
В модели (рис. 1) имеется три цикла, два из которых с положительной обратной связью (У8-У11-У8, У6-У8-У6), а третий - с отрицательной (У8-У9-У8). Последний цикл отражает регулирующую роль хищников и паразитов на численность листогрызущих насекомых и их влияние на степень облиственности крон деревьев. Из модели следует, что внутри природной подсистемы имеется множество взаимодействий, в том числе и в ее растительной составляющей, на которые оказывают прямое и косвенное влияние загрязнители атмосферного воздуха.
Ситуационное моделирование было проведено по шести сценариям, а в качестве контролируемых параметров были выбраны уровень химического загрязнения атмосферного воздуха, состояние травянисто-кустарникового яруса, степень облиственности кроны и изменение микроклимата экосистемы. Ось абсцисс на рис. 2-6 отражает такты моделирования, а ось ординат - амплитуды изменения контролируемых параметров по отношению к величине внесенного импульса. В сценарии 1 активизировалась вершина V! «загрязнение воздуха» путем внесения импульса величиной +0,1, и изучалось влияние химических загрязнителей воздуха на процессы в природной подсистеме города (рис. 2). Загрязнение атмосферного воздуха (вершина V1), обусловленное в первую очередь выбросами промышленных предприятий и автотранспорта [3-7], оказывает непосредственное и опосредованное влияние на биотические и абиотические компоненты городской экосистемы. Начиная со второго такта наблюдается ухудшение состояния травянисто-кустарникового яруса, а с третьего такта возникают изменения в степени облиственности крон дре-
весных растений, что приводит к изменению микроклимата. Продолжительность моделирования сценария (10 тактов) обусловлена процессами стабилизации контролируемых параметров, завершающимися к 6-7 тактам. Анализ рис. 2 показывает, что на 3-м такте степень облиственности крон деревьев сначала несколько увеличивается по сравнению с исходным состоянием, принятым за фоновое, а с 4-го такта постепенно ухудшается.
0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0. 06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0. 00 -0.00 -0.01 -0.02 -0.03
|-Ч
4 ------ ---- -----1 г----- ----3 —
Рис. 2. Внесение импульса ^ = +0,1 в вершину VI:
— - химическое загрязнение воздуха;-----состояние
травянисто-кустарникового яруса;------- степень
облиственности кроны; — - изменение микроклимата (эти же обозначения на рис. 3-5)
Такое изменение данного параметра можно объяснить тем, что атмосферные загрязнители оказывают негативное влияние на листогрызущих насекомых, в
результате чего потребление ими биомассы растений снижается, и состояние крон деревьев немного улучшается. Далее отрицательное влияние загрязнения воздуха на кроны деревьев усиливается за счет снижения темпов их роста, некроза и усыхания листьев, а также комплекса процессов, которые в итоге определяют состояние крон.
Для выработки эффективных решений по обеспечению благоприятной среды обитания было проведено моделирование различных вариантов природоза-щитных мероприятий (сценарии 2-6). Так, во втором сценарии (рис. 3) изучалась ситуация, когда наряду с загрязнением воздуха (= +0,1) проводятся мероприятия по озеленению городской территории: посадка молодых деревьев и санитарная обрезка зрелых деревьев (92 = +0,1), посадка кустарников и посев газонов (94 = + 0,1). Эти воздействия характеризуются следующими результатами: наблюдаются противоположные предыдущему сценарию изменения микроклимата, стабилизация уровня загрязнения воздуха происходит при значении, примерно на 2 % меньшем величины внесенного импульса, а состояние травянисто-кустарникового яруса становится устойчивым при значении, которое почти на 30 % ниже внесенного импульса.
Рис. 3. Внесение импульсов 91 = 92 = 94 = +0,1 в вершины VI, У2, У4
Несмотря на посадку новых саженцев, состояние крон древесной растительности ухудшается по сравнению с ожидаемым поведением этого параметра. Это обусловлено тем, что увеличение числа деревьев равноценно увеличению числа мест обитания и улучшению условий для жизнедеятельности листогрызущих насекомых, вследствие чего они начинают интенсивно размножаться и питаться, уменьшая тем самым степень облиственности крон.
В третьем сценарии (рис. 4) в отличие от предыдущего добавлен еще один импульс: проводится борьба с листогрызущими насекомыми. Интересно, что это благоприятно сказывается на росте и развитии деревьев и состоянии их крон, стабилизация уровня загрязнения воздуха происходит при значении почти на 20 % ниже внесенного импульса, а микроклимат и состояние трав и кустарников изменяются аналогично сценарию 2.
Рис. 4. Внесение импульсов 91 = 92 = 94 = +0,1 в вершины VI, VI, V4 и д8 = -0,1 в вершину V8
Однократное внесение импульса 91 = -0,1 в вершину VI (сценарий 4) обеспечивает незначительное улучшение состояния травянисто-кустарникового яруса, степень облиственности крон остается на прежнем уровне, также наблюдается небольшое изменение микроклимата. Отсутствие положительных изменений в состоянии древесного яруса города связано с тем, что атмосферные загрязнители не только ухудшают рост и развитие деревьев и любых растений, но и негативно влияют на их вредителей. Поэтому снижение уровня загрязнения воздуха способствует улучшению условий жизни листогрызущих насекомых и тем самым компенсирует положительное влияние чистого воздуха на древесные растения. Следовательно, защита атмосферного воздуха от загрязнения как единственное природоохранное мероприятие не может обеспечить существенного улучшения состояния растительной составляющей природной подсистемы города.
В сценарии 5 изучалось влияние мероприятий по защите воздуха от загрязнения (91 = - 0,1) и по озеленению (92 = 94 = + 0,1). Оказалось, что травянисто-кустарниковый ярус испытывает положительное влияние (его состояние стабилизируется на уровне, который на 40 % выше величины внесенного импульса), уровень загрязнения воздуха снижается, и амплитуда его стабилизации примерно на 18 % ниже величины внесенного первоначально импульса. Однако степень облиственности крон деревьев несколько уменьшается по тем же причинам, что и в сценарии 4, что приводит к изменению микроклимата.
В сценарии 6 моделируется комплекс наиболее благоприятных воздействий на состояние урбоэкоси-стемы (рис. 5): импульсы 92 = 94 = + 0,1 соответствуют улучшению количественного и качественного состава фитоценоза, импульсы 91 = 98 = - 0,1 обозначают снижение уровня загрязнения воздуха и численности листогрызущих насекомых.
Результаты этого сценария обнадеживают: воздух становится чище (стабилизация уровня его загрязнения наблюдается при значении, близком к величине внесенного импульса), состояние всех компонентов фитоценоза улучшается (в частности, состояние травянисто-кустарникового яруса становится устойчивым при зна-
чении примерно на 40 % выше внесенного положительного импульса), микроклимат становится более прохладным в теплое время года.
Рис. 5. Внесение импульсов д2 = = +0,1 в вершины V2, V4 и ^ = д8 = -0,1 в вершины V 1,У8
Таким образом, главным следствием всех негативных процессов загрязнения городского воздуха является угнетение жизнедеятельности растений, снижение их устойчивости к загрязнителям, что отрицательно сказывается на их развитии и выполнении ими средо-формирующих функций. В то же время наибольшая эффективность этих функций зависит от структуры зеленых насаждений: большое видовое разнообразие растений и многоярусность фитоценоза способны существенно улучшить качество атмосферного воздуха, смягчить шумовой, температурный, ветровой, радиационный, влажностный режимы и др. [14].
Для проведения фитомелиорации следует использовать растительность, устойчивую к загрязненной городской среде и к наиболее распространенным заболеваниям и вредителям и обладающую комплексом полезных свойств, в частности, способностью выделять большое количество кислорода и фитонцидов, поглощать атмосферные загрязнители и шум, ионизировать воздух и при этом не вызывать аллергических реакций у человека [2, 15]. Важную роль в выборе саженцев играет их стоимость и приживаемость. Подбор рекомендуемого посадочного материала осуществлялся по трем группам: деревья, кустарники и декоративные растения. Наиболее ценными экологическими свойствами обладают следующие деревья, хорошо приживающиеся в степной зоне [14, 15]: дуб черешчатый, липа крупнолистная, акация белая, береза бородавчатая, рябина обыкновенная, ива плакучая, клены остролистный и ясенелистный, тополя китайский и пирамидальный. Для формирования живых изгородей и кустарникового яруса в парках и скверах, на улицах города незаменимы сирень обыкновенная, калина красная, барбарис обыкновенный, жасмин обыкновенный и скумпия обыкновенная, а такие представители декоративных пород, как сосна крымская, можжевельник виргинский, туя восточная, ель обыкновенная и маго-ния падуболистная, придадут эстетичность городскому фитоценозу в зимний период.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
Поступила в редакцию_
1. Главным фактором антропогенного воздействия на растительную подсистему промышленного города является загрязнение воздуха, вызывающее угнетение растений, нарушение их эдификационных функций, изменение микроклимата и другие негативные последствия.
2. Проведенное моделирование свидетельствует о наличии непосредственных двусторонних и опосредованных многосторонних отношений и связей между компонентами растительной подсистемы города, оказывающих влияние на выполнение ею средоформи-рующих функций.
3. Для управления природной подсистемой урбо-экосистемы наибольшую пользу принесут комплексные программы, сочетающие природозащитные мероприятия и мероприятия по восстановлению эдифи-кационных функций фитоценоза и дальнейшему развитию природного каркаса путем включения в него дополнительных элементов и новых лесопосадок. Увеличение общей доли лесистости городской территории с целью достижения установленных нормативов и активное использование современных технологий озеленения городских улиц, скверов, дворов и автомагистралей позволят сделать городскую среду более безопасной и комфортной для проживания.
Литература
1. Владимиров В.В. Урбоэкология. М., 1999. 204 с.
2. Тетиор А.Н. Городская экология. М., 2006. 336 с.
3. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2004. С. 5-21.
4. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2005. С. 6-27.
5. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2006. С. 5-20.
6. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2007. С. 7-29.
7. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2008. С. 6-28.
8. Ковязин В.Ф., Беляева Н.В. Устойчивость древесных
пород к техногенным нагрузкам // Изв. Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2007. Вып. 182. С. 15-23.
9. Методы и алгоритмы развития сложных ситуаций
/ О.Н. Пьявченко [и др.]. Таганрог, 2003. С. 7-69.
10. Коломыц Э.Г., Керженцев А.С., Глебова О.В. Механиз-
мы трансформации лесных экосистем в высокоурбанизированной среде // Экополис 2000: экология и устойчивое развитие города. М., 2000. С. 110-116.
11. Морозова Г.Ю., Злобин А.Ю., Мельник Т.И. Растения в
урбанизированной природной среде: формирование флоры, ценогенез и структура популяций // Журн. общей биологии. 2003. Т. 64, № 2. С. 166-181.
12. Никитенко М.А. Видовая специфика поглощения тяже-
лых металлов (Си, Zn, Мп и Fe) древесными растениями г. Камбарки Удмуртской Республики // Вестн. ИжГТУ. 2007. Вып. 2(34). С. 158-159.
13. Керженцев А.С. Экологическая альтернатива человека в
биосфере и ноосфере // Экополис 2000. ... С. 135-142.
14. Исаченко А.Г. Оптимизация природной среды. М., 1984.
264 с.
15. Кучерявый В.А. Урбоэкологические основы фито-
мелиорации. М., 1991. Ч. 1. 375 с.; Ч. 2. 288 с.
_29 октября 2009 г.
