ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ЛЕСНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ МЕГАПОЛИСА

УДК 630*181.351
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ЛЕСНОЙ
ЭКОСИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ МЕГАПОЛИСА
INTEGRAL ASSESSMENT OF ТRANSFORMATION LEVEL FOR THE
FOREST ECOSYSTEMS IN A MEGALOPOLIS
Беднова О.В., Сован А.В. (МГУЛ, г.Москва, РФ)
Bednova O.V., Sovan A.V. (Moscow State Forest University, Russia)
Для интегральной оценки трансформации лесных экосистем в урбанизированных условиях использован метод функций желательности. Продемонстрирован
пример оценки на основе данных многолетнего мониторинга лесной экосистемы в
условиях Москвы.
Method of desirability functions has been applied to assess the transformation level of the forest ecosystems in urban environment. An example of assessment based on
long-term monitoring one of the forest ecosystems in Moscow is given.
Ключевые слова: урбанизированные территории, лесные экосистемы,
трансформация, интегральная оценка
Keywords: urban areas, forest ecosystems, transformation, integral assessment
В ранее опубликованной работе [1], представленной на конференции
«ЛЕС-2012», была обоснована возможность получения многокритериальной
оценки состояния экосистем городских лесов на основе метода функции желательности (МФЖ) Харрингтона, приведены первые результаты апробации
разработанных алгоритмов. Последующая адаптация и корректировка методики позволила выстроить систему нормирования и индикации состояния
лесных экосистем в урбанизированных условиях [2,3,4]. В данной публикации целесообразно лишь подчеркнуть, что МФЖ позволяет отображать значения параметров состояния природной среды с позиций их отхождения от
нормы на основе стандартной оценочной шкалы и оптимизировать ряд частных показателей состояния экосистемы в один обобщённый критерий. В качестве индикаторов состояния экосистемы при этом используются значения
индекса состояния древостоя, индекса структурного разнообразия (интегральный показатель сохранности лесного биоразообразия), эквивалентный
уровень звука (даёт представления об акустическом загрязнении), концентрация диоксида азота в воздухе.
В таблицах 1 и 2 приведены ключевые сведения для использования
МФЖ в системе оценки состояния лесных экосистем. На основе экспертных
значений экологических индикаторов, перекодированных на основе базовых
значений функции желательности (таблица 1) получены уравнения, пользуясь которыми можно нормировать натуральные значения экологических индикаторов:
- для индекса состояния древостоя
dI = exp[–exp(2,063 – 0,395 y1)] (1);
- для значений индекса структурного разнообразия
dH = exp[–exp(7,639 – 4,940 y2)](2);
- для эквивалентного уровня звука:
dL = exp[–exp(–3,476+0,049 y3)] (3);
- для концентрации диоксида азота в воздухе:
dС = exp[–exp(–2,108 +30,400 y4)](4)
Построение обобщённого отклика задается как среднее геометрическое
частных желательностей di.: D n d I d H d LdC
Таблица 1 – Базовые значения функций желательности и соответствующие значения натуральных критериев (экологических индикаторов)
Экологические индикаторы
(критерии оптимизации)
Индекс состояния древостоя, I
Базовые значения
функции желательности
0,8 (хорошо)
0,2 (плохо)
Индекс структурного разнообразия, H 0,8 (хорошо)
0,2 (плохо)
Эквивалентный уровень звука, дбА, L 0,8 (хорошо)
0,2 (плохо)
Концентрация NO2 в атмосферном
0,8 (хорошо)
воздухе, мг/м, С
0,2 (плохо)
Экспертные значения
индикаторов
9,0
4,0
1,85
1,45
40
80
0,02
0,085
Таблица 2 – Интервальные оценки значений экологических индикаторов
Количественные отметки
на шкале желательности и
желательность значения
отклика
От 0,80 до 1.0: очень хорошо
(very good= excellent)
От 0,63 до 0,80:
хорошо(good)
От 0,37 до 0,63:
посредственно (mediocre)
От 0,20 до 0,37: плохо
(bad= borderline)
От 0 до 0,20: очень плохо
(unacceptable = very bad)
Индекс
Индекс
Эквивалентный Концентрация
структурного состояния уровень звука,
NO2
разнообразия древостоя
Hstr
Id
L, дбА
C, мг/м3
От 1,85 и бо- 9,0-10,0
40 и менее
0,02 и менее
лее
От 1,70 до 1,85 7,16-9,0
40-55
0,02-0,044-
От 1,55 до 1,70 5,22-7,16
55-70
0,044-0,069
От 1,45 до 1,55 4,0- 5,22
70-80
0,069-0,085
До 1,45
80 и более
0,085 и более
0-4,0
На основе данных, полученных с помощью репрезентативно обоснованной сети наблюдений (пункты постоянных наблюдений, временные пробные
площади, пункты контроля качества воздуха, точки контроля акустического
загрязнения) можно получить картину состояния отдельных компонентов
природной среды и экосистемы в целом, нормированную на основе МФЖ.
Для городских лесов, имеющих статус особо охраняемых природных
территорий, прежде всего, значима информация об их природоохранной ценности, а, следовательно, об уровне сохранности лесной среды и лесного
биоразнообразия. В рассматриваемой системе экологической оценки информация о состоянии биотической составляющей обобщается с помощью двух
интегральных индикаторов – индекс состояния древостоя и индекс структурного разнообразия лесного биоценоза (косвенно отражает степень сохранно-
сти лесного биоразнообразия через структуру местообитаний) экосистемы.
Сведения о методике вычисления этих биотических индексов можно найти в
работе [2] и в соответствующих публикациях из списка библиографических
источников к ней. Значения биотических индексов, переведённые в частные
функции желательности, отражают соответственно степень жизнеспособности древостоя и уровень сохранности лесного видового разнообразия, а значение обобщённой функции желательности отражает степень сохранности
лесной среды в целом. Это положение можно формализовать следующим образом:
D d I d H (5),
где dI и dH – значения индексов состояния древостоя и структурного
разнообразия, переведённые в частные функции желательности в соответствии с уравнениями (1) и (2).
На рисунке 1 на основе значений обобщённой функции желательности
визуализированы результаты лесоэкологического мониторинга, проведённого
в 2014 году в ельнике Кунцевской дачи – городском лесном массиве, расположенным в западной части Москвы и входящем в структуру комплексного
природного заказника «Долина реки Сетунь». Насаждение имеет смешанное
происхождение: в начале 50-х гг. прошлого столетия по низко полнотным
участкам смешанного леса были посажены лесные культуры ели и сосны. В
настоящее время ельник Кунцевской дачи является крупнейшей фитоценотической группировкой со значительным участием в составе аборигенных
хвойных пород наиболее близко расположенной к центру Москвы, что позволяет рассматривать этот лесной массив в качестве индикаторного сообщества для оценки состояния городской среды. Лесная экосистема находится в зоне интенсивного антропогенного воздействия как рекреационного, так и техногенного (граничит с одной из крупнейших московских автомагистралей –
Можайское шоссе–Кутузовский проспект, по территории леса проходят подземные коммуникации) [5].
Как свидетельствуют результаты картографического анализа, на преобладающей части территории лесная среда сохраняется в зоне удовлетворительного состояния (см. таблицу 2). Зоны деградации лесной среды (значения
D ниже 0,37) приурочены, главным образом, к местам расположения подземных коммуникаций и участков сильно пострадавших от рекреационного
воздействия. Но вместе с тем, в границах лесного массива визуализируется
несколько небольших ядер с хорошо сохранившейся лесной структурой (значения D от 0,63 и выше), что необходимо учесть при реализации планов по
благоустройству территории.
Рисунок 1- Сохранность лесной среды в границах лесного массива «Ельник Кунцевской дачи»
Другой аспект применения МФЖ – динамические исследования в лесных
экосистемах. Система ранжирования значений экологических индикаторов
при этом позволяет идентифицировать направленность происходящих во
времени изменений в лесном сообществе более определённым образом в
сравнении с использованием натуральных значений – перевод в шкалу МФЖ
отражает дискриминантные свойства показателей. В таблице 3 приведены
значения экологических индексов, вычисленных по результатам многолетнего мониторинга на пяти пунктах постоянных наблюдений (ППН) сети лесоэкологического мониторинга, заложенных ельнике Кунцевской дачи в 2005
году. Значения индексов Id и Hstr перекодированы по шкале функции желательности (соответственно – dI и dH), определены значения частных и обобщённых функций желательности.
Коротко прокомментируем представленные в таблице 3 результаты мониторинга. Динамика значений индекса состояния древостоя в целом свидетельствует о тенденции к снижении жизнеспособности древесного полога.
Отдельные случаи незначительного повышения значений индекса (см. ППН208 и ППН-218 в 2008 году) связаны с выборкой накопившегося сухостоя. В
целом в лесном массиве прогрессирует процесс осветления леса: выпадают
берёзы, подошедшие к возрастному рубежу, имеют место периодические
единичные вывалы еловых деревьев с признаками корневой губки (куртинное
усыхание ели пока что приурочено к местам расположения подземных коммуникаций, находящихся за пределами ППН).
Таблица-3 – Динамика состояния лесной экосистемы ельника Кунцевской дачи (по данным стационарных наблюдений на ППН)
Состояние дреСтруктурное
Обобщённый критерий
Год
Состав древостоя
востоя
разнообразие
качества лесной среды
Id |/dI
Hstr /dH
D=√ dI dH
ППН-208
2005 6Е3Б1Лп + С, Ос
7,82/ 0,699
1,79/ 0,741 хор.
0,720 хор.
хор.*
2008 7Е3Б+С, Лп, Ос
8,62/ 0,770 хор. 1,69/ 0,611 уд.
0,686 хор.
2012 8Е2Б+ Лп,С,Ос
7,63/ 0,680 хор. 1,68/ 0,596 уд.
0,637 хор.
7Е3Б+С,
Лп
2014
7,27/ 0,641 хор. 1,69/ 0,611 уд.
0,626 уд.
ППН-213
2005 5Е5Б+ С,Лп,Кло
9,01/0,80
1,66/ 0,565 уд.
0,672 хор.
хор.~ o.хор.
2008 5Е5Б+Лп, Кло
8,90/ 0,791 хор. 1,57/ 0,410 уд.
0,569 уд.
2012 5Е5Б+Лп, Кло
7,71/ 0,688 хор. 1,58/ 0,428 уд.
0,543 уд.
2014 6Б4Е+ Лп,Кло
6,64/0,565 уд.
1,54/0,356 пл.
0,448 уд.
ППН-214
2005 4Б3С2Лп1Е
8,22/ 0,736 хор. 1,68/ 0,596 уд.
0,662 хор.
2008 4Б3С2Лп1Е
7,84/ 0,701 хор. 1,76/ 0,706 хор.
0,703 хор.
2012 4С4Б2Е+Лп
6,96/ 0,604 уд.
1,71/ 0,64 хор
0,621 уд.
2014 4С3Б2Лп1Е
6,75/ 0,579 уд.
1,75/ 0,693 хор
0,633 хор.
ППН-215
2005 4Б3Е2С1Лп
8,17/ 0,732 хор. 1,43/ 0,169 о. пл.
0,352 пл.
2008 4Е3Б2С1Лп
7,95/ 0,711 хор. 1,61/ 0,481 уд.
0,585 уд.
2012 5Е2С2Б1Лп
7,43/ 0,662 хор. 1,61/ 0.481 уд.
0,564 уд.
2014 5Е2С2Б1Лп
6,93/ 0,607 уд.
1,71/ 0,640 хор
0,620 уд.
ППН-216
2005 7Б2Лп1Е+С
7,10/ 0,621 уд.
1,72/ 0,654 хор.
0,637 хор.
2008 7Б2Лп1Е+С
7,70/ 0,687 хор. 1,76/ 0,706 хор.
0, 696 хор.
2012 7Б2Лп1Е+С
7,08/ 0,619 уд.
1,69/ 0,611 уд.
0,615 уд.
2014 8Б1Е1Лп
6,91/ 0,598 уд.
1,67/ 0,581 уд.
0,589 уд.
*Примечание: принадлежность значений индексов к интервалам оценки по шкале желательности (см. таблицу 2) – о.хор.(очень хорошо), хор. (хорошо), уд. (удовлетворительно),
пл. (плохо), о.пл.(очень плохо).
Естественное возобновление хвойных пород в насаждении отсутствует,
неравномерный подрост представлен клёном остролистным (Аcer platanoides)
и липой (Tilia cordata), редко встречаются вяз гладкий (Ulmus laevis), ясень
обыкновенный (Fraxinus excelsior). По осветлённым участкам экологические
ниши захватывают интродуценты – клён ясенелистный (Аcer negundo) и
ясень пенсильванский (Fraxinus pensilvanica), участие их в подросте растёт, и
этот процесс находит своё отражение в снижении значений индекса структурного разнообразия. Лепту в отрицательную динамику значений этого показателя также способны вносить уменьшение доли участия лесных видов в
травяном покрове, утрата таких важных лесных местообитаний как валёж
(убирается весь валёж, включая безопасный в лесопатологическом отношении отпад лиственных деревьев, заселённый грибами-сапротрофами и членистоногими-сапрофагами) и старовозрастные деревья, снижение густоты подлеска (зачастую повреждается при уборке сухостойных деревьев), корчёвка
или измельчение в щепу пней крупных деревьев. Весь этот комплекс негативных изменений в структурном разнообразии лесного биогеоценоза имеет
место, например, в участке леса, характеризуемым ППН-213: значение индекса структурного разнообразия за период наблюдений снизился с 1,66 (диапазон значений класса «удовлетворительно», см. таблицу 2) до 1,54 («плохо»). Но следует отметить, что за счёт сохранения жизнеспособности древостоя (Id=6,64 облик лесного биогеоценоза ещё сохраняется – значение обобщённого критерия качества (0,448) находится в интервале «удовлетворительно».
Рекреационный режим городского леса не стабилен во времени: одни
участки становятся более посещаемыми, другие – менее популярными. Это
происходит по разным причинам, в том числе и в связи с изменениями в инфраструктуре прилегающей городской территории. Например, появление новой автобусной остановки заметно отвлекло посетителей от части краевой зоны насаждения, состояние которой характеризует ППН-215. Результат – разрастание подлеска, появление подроста из числа аборигенных видов, постепенное усиление участия лесных видов в составе травяно-кустарничкового
яруса. Значение индекса структурного разнообразия увеличилось с 1,43
(«очень плохо») до 1,71 («удовлетворительно») по состоянию на 2014 год, т.е.
лесная среда восстанавливается.
Таким образом, разработанный метод оценки состояния лесных экосистем в урбанизированных условиях даёт возможность получить картину
трансформации лесной среды и визуализировать её с помощью ГИСтехнологий, оценить направленность экологических процессов. Такая информация должна служить основой для выработки оптимальной программы
хозяйственных и природоохранных мероприятий в городском лесу, и особенно, если лес имеет статус особо охраняемой природной территории.
Список использованных источников
1. Беднова О.В. К алгоритму оптимизации многокритериальной оценки состояния
лесных экосистем на урбанизированных территориях [Текст]/ О.В. Беднова, В.А. Кузнецов
// Актуальные проблемы лесного комплекса/ Под общей редакцией Е.А.Памфилова. Сборник научных трудов. Выпуск 31. – Брянск: БГИТА, 2012. – С.99-104.
2. Беднова О.В. Метод индикации и оценки рекреагенных изменений в лесных биогеоценозах [Текст]/ О.В. Беднова// Научно-информ. журнал «Лесной вестник».– М.:
МГУЛ, 2013, N 7 (99).– С. 77-88.
3. Кузнецов В.А. Многокритериальная оценка состояния лесных экосистем городских ООПТ по результатам комплексного экологического мониторинга на основе метода
функций желательности [Текст]/ В.А. Кузнецов, О.В. Беднова, Ю.Ю. Андрюшин // Успехи
в химии и химической технологии.– М.: РХТУ, 2014, Т. XXVIII, №1.– С. 51-54.
4. Беднова О.В. Технология нормирования и индикации состояния лесных экосистем
в условиях городских особо охраняемых территорий [Текст]/ О.В. Беднова// Научноинформ. ;урнал «Лесной вестник».– М.: МГУЛ, 2014, № 6.Т.16.– С. 36-52.
5. Кузнецов В.А. К характеристике средостабилизирующих свойств лесного массива
в мегаполисе [Текст]/ В.А. Кузнецов, О.В. Беднова, Т.Е. Бабий// Город, лес, отдых. Материалы научной конференции.– М.: Товарищество научных изданий КМК, 2009.– С. 41-43.