Влияние антропогенных факторов на состояние почв Главного ботанического сада имени Н.В. Цицина РАН

© 2020 г. 

О.В. Мартыненко¹*, В.Н. Карминов^1,2,3, П.В. Онтиков⁴

¹ ФАУ ДПО Всероссийский институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов лесного хозяйства Россия, 141200, Московская область, Пушкино, ул. Институтская, д. 20

² ФГБУН Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук Россия, 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, стр. 14

³ФГОУ ВО Мытищинский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана Россия, 141005, Московская область, Мытищи, ул. 1-ая Институтская, д. 1

⁴ ФГБУ Центральный филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Рослесинфорг» Россия, 141280, Московская область, Ивантеевка, ул. Заводская, д. 10

*E-mail: martinen75@yandex.ru

Поступила в редакцию: 03.03.2020 г.
Принята к печати: 03.06.2020 г.

Территория Главного ботанического сада имени Н.В. Цицина Российской академии наук подвергается значительной антропогенной нагрузке, что негативно сказывается на состоянии ценных коллекций древесных и кустарниковых пород. Одним из наиболее опасных следствий антропогенного влияния, выражающегося в усилении рекреационной нагрузки, является уплотнение почв. В этой ситуации сильную обеспокоенность сотрудников ботанического сада вызвало ухудшение состояния коллекции лохов. Поэтому почвы, на которых произрастают данные растения, были выбраны в качестве объекта исследования. На этой территории были заложены три пробные площади, различающиеся степенью антропогенной нагрузки. Пробная площадь № 1 характеризовала зону максимальной антропогенной нагрузки. Зона умеренной антропогенной нагрузки была представлена пробной площадью № 2. Пробная площадь № 3 выступала в качестве контроля, где антропогенная нагрузка была минимальной. Все исследованные почвы были отнесены к дерново-слабоподзолистым среднесуглинистым почвам. Принципиальные различия в морфологических свойствах исследованных почв заключались в том, что в почвах, находящихся в зоне максимальной антропогенной нагрузки, с глубины 40 см отмечались пятна оглеения, которые в остальных почвах не встречались. Увеличение значений плотности почвы в ненарушенном сложении соответствовало увеличению степени антропогенной нагрузки. Указанное явление приводило к снижению общей порозности почвы. Уплотнение почвы способствовало заметному снижению влажности в верхних горизонтах. При этом ухудшение внутрипочвенного стока способствовало возникновению глеевых процессов в иллювиальной части профиля. Использование методов кластер-анализа показало хорошую группировку зависимости исследованных показателей от величины антропогенной нагрузки. Произошло разделение исследованных показателей в зависимости от их типа и положения в профиле. Проведённое исследование позволило оценить важнейшие физические и водно-физические свойства почв части территории Главного ботанического сада РАН, занятой ценной коллекцией лохов. По результатам исследования предложен комплекс мероприятий, позволяющих существенно снизить выявленные негативные эффекты и в целом улучшить состояние исследованных почв и произрастающих на них насаждений.

Ключевые слова: плотность почвы, антропогенное уплотнение, почвы ботанических садов, ГБС РАН

Главный ботанический сад имени Н.В. Цицина Российской академии наук (ГБС РАН) по праву входит в список наиболее интересных и известных ботанических садов в мире. Открыв свои двери посетителям в 1945 году, он стал местом компактного размещения уникальных коллекций древесных и кустарниковых пород со всего света (Демидов и др., 2016). Постановлением Президиума Академии наук СССР 2 декабря 1991 г. Главному ботаническому саду присвоено имя академика Николая Васильевича Цицина.

ГБС РАН является крупнейшим ботаническим садом в Европе. Для удобства перемещения посетителей и сотрудников, ботанический сад имеет разветвлённую сеть асфальтовых и грунтовых дорожек. Наличие развитой дорожно-тропиночной сети позволяет совершать как спокойные пешие прогулки, так и заниматься активными видами спорта, бегом, велопрогулками. Огромная популярность ботанического сада среди москвичей и гостей столицы оборачивается сильнейшей антропогенной нагрузкой на его насаждения и почвы ((Гревцова, Рысин, 2020).

Основной проблемой почв рекреационных зон является их уплотнение, вызванное интенсивным движением по ней транспортных средств, людей и животных. Уплотнение почвы способствует уменьшению её порозности на 30–50% прежде всего за счёт микропор, которые играют важную роль в движении влаги и воздуха, распространении и развитии корней растений. Это непосредственно влияет на основные водно-физические свойства почвы: с одной стороны, снижается водопроницаемость, и, как следствие создаются условия, благоприятствующие застою влаги, что наиболее сильно заметно в иллювиальных горизонтах; с другой стороны, уплотнение верхнего гумусового горизонта снижает способность почвы поглощать и удерживать в себе влагу. Негативное влияние антропогенного уплотнения на важнейшие свойства почв отмечают многие исследователи (Смагин и др., 2006; Лысиков, 2006, 2008, 2011; Яковлев, Евдокимова, 2011; Меланхолин, Лысиков, 2014; Стома, 2016; Захаров, Кулик, 2017; Мурачёва, 2018). Как правило, проблему представляет не столько переуплотнение почв на тропинках, сколько сохранение уникальных парковых ценозов, где представлена разнообразная растительность (Мосина, 2003).

Необходимо отметить, что некоторые авторы предлагают рассматривать почвы ботанических садов как некое уникальное образование, отличающееся как от природных, так и от почв городских озелененных территорий, сформировавшееся в результате постоянного привноса почвенной фауны и микроорганизмов на корнях растений и с грунтами, длительное (на протяжении десятилетий и даже столетий) антропогенное (урбаногенное) воздействие (Раппопорт и др., 2013). Таким образом, городские ботанические сады представляют собой уникальные искусственно созданные экосистемы, где отчасти компенсируется негативное воздействие городской среды и формируется высокий уровень биоразнообразия. Данное исследование выполнено в рамках этой концепции с целью выявления и оценки возможного влияния комплекса почвенных факторов на состояние насаждений (коллекция лохов) ГСБ РАН.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Данное исследования проводились в рамках комплексного почвенного и гидротехнического обследования территории ГБС РАН, проведённого силами сотрудников и студентов Мытищинского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. Особое внимание было уделено изучению влияния антропогенных факторов на свойства почв, которые, в свою очередь, во многом определяют условия роста и развития древесных и кустарниковых пород, произрастающих в ботаническом саду (Рысин, Гревцова, 2018). По предварительной гипотезе именно антропогенное уплотнение могло стать причиной гибели коллекции лохов (лат. Elaeagnus). Вероятнее всего, проложенные дорожки ухудшили отток грунтовых вод и привели к переувлажнению почвы в весенний период.

Программа исследований предусматривала заложение трёх пробных площадей размером 20´20 м. Две пробные площади располагались непосредственно на территории коллекции лохов. Пробная площадь № 1 была заложена на удалении около 10 метров от оживлённой центральной пешеходной дороги. Эта пробная площадь характеризовала ту часть территории, занятой коллекцией лохов, где антропогенная нагрузка была максимальной. Для этой зоны была диагностирована IV стадия рекреационной дигрессии. Пробная площадь № 2 находилась на удалении около 20 метров от центральной аллеи, рядом с небольшой тропинкой, где антропогенная нагрузка была умеренной. В этой зоне рекреационная дигрессия достигла III стадии. В качестве контроля была заложена пробная площадь № 3, расположенная в относительно труднодоступном месте, куда посетители сада практически попадают не очень часто. Расстояние от центральной пешеходной дороги составляло около 50 метров. Для этой зоны была установлена II стадия рекреационной дигрессии.

Во время полевого этапа исследований на каждой пробной площади было заложено 5–6 прикопок. Для каждой пробной площади одна наиболее типичная прикопка была углублена до разреза. Таким образом, в зоне максимальной антропогенной нагрузки располагался разрез B3 (N55.842984, E37.598317). Зону с умеренной антропогенной нагрузкой характеризовал разрез B2 (N55.84282, E37.59879). На контроле, в зоне с низкой антропогенной нагрузкой был заложен разрез B1 (N55.842588, E37.598169). Все координаты приведены в системе WGS84.

Для почвенных разрезов и прикопок было выполнено полное морфологическое описание согласно методикам, принятым в почвоведении. Из всех разрезов по генетическим горизонтам были отобраны образцы для определения общих физических, водно-физических свойств почв в почвенной лаборатории кафедры Мытищинского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. В частности, была определена плотность в ненарушенном естественном сложении (по Н.А. Качинскому), полевая влажность весовым методом и общая порозность. Результаты определений почвенных показателей обеспечили получение результатов в пределах 5% для значений точности выполнения опыта при уровне значимости 0.05 (Вадюнина, Корчагина, 1986).

Выбор точек почвенного опробования, привязка выкопанных разрезов, ориентирование на местности осуществлялось с помощью современных геоинформационных систем. Для работы было выбрано сочетание мобильного приложения NextGIS, работающего в среде Android и настольного приложения Quantum GIS, в котором осуществлялось объединение и систематизация всех полученных геоданных. В классе свободного программного обеспечения система QGIS в последние годы обладает практически абсолютным лидерством (Шокин, Потапов, 2015).

Обработка полученных экспериментальных данных осуществлялась с помощью многомерных статистических методов, в частности, с помощью кластер-анализа. Для исследованных объектов построены дендрограммы, на которых по вертикальной оси представлены значения сходства (или различия), а по горизонтальной – номера объектов с равными интервалами. В качестве меры различия выбрано нормированное евклидово расстояние: геометрическое расстояние между объектами в многомерном пространстве признаков. В качестве метода кластеризации использовался метод Уорда (англ. Ward’s method). Для оценки расстояний между кластерами здесь используются методы дисперсионного анализа. В качестве расстояния между кластерами берётся прирост суммы квадратов расстояний объектов до центра кластера, получаемого в результате их объединения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам полевых исследований было установлено, что все обследованные почвы относятся к дерново-слабоподзолистым среднесуглинистым почвам (Umbric Albeluvisols Abruptic). Гранулометрический состав по профилю существенно не изменялся. Утяжеление гранулометрического состава обнаруживалось только в самой нижней части профиля в переходных к материнской породе горизонтах.

Основная разница в морфологических свойствах исследованных почв заключалась в том, что в почвах, находящихся в зоне максимальной антропогенной нагрузки с глубины 40 см отмечались пятна оглеения, которые в почвах с низкой и умеренной антропогенной нагрузкой не встречались.

Таблица 1. Плотность, общая и полевая влажность почв

Наименьшая плотность почвы в ненарушенном сложении наблюдается в зоне минимальной антропогенной нагрузки (рис. 1). Указанная тенденция характерна для глубины обследованного почвенного профиля. Естественная растительность с преобладанием берёзы и разнотравьем в напочвенном покрове обеспечила достаточно благоприятную плотность верхнего горизонта А₁, соответствующую значению 0.97 г/см³. С глубиной плотность закономерно возрастает, достигая максимума в 1.48 г/см³ в горизонте В. Для двух других разрезов, находящихся в зоне выраженной антропогенной нагрузки, плотность верхнего горизонта А₁ заметно выше (1.29 г/см³ и 1.25 г/см³) рядом с дорогой и тропинкой соответственно. Несмотря на наличие дороги с качественным асфальтовым покрытием часть посетителей все же сходит с регулярных маршрутов, что приводит к уплотнению почвы, причём, уплотняющее действие распространяется на значительную глубину и отмечается до иллювиального горизонта B включительно.

Безусловно, отмеченные значения плотности негативно сказываются как на состоянии самой почвы, так и растительности, но для сравнения следует отметить, что в аналогичных исследованиях показатели плотности почвы на середине тропы достигали 1.8 г/см³ (Лысиков, 2008, 2017). Таким образом, регулярная сеть благоустроенных дорожек ГБС все же принимает на себя основную нагрузку.

Отмеченное выше увеличение плотности почвы в зонах с высокой и умеренной антропогенной нагрузкой приводит к снижению её общей порозности (рис. 2), прежде всего это касается порозности аэрации, однако и капиллярная порозность также уменьшается.

Всё это приводит к тому, что полевая влажность уплотнённых горизонтов оказывается существенно ниже (рис. 3). Особенно это хорошо заметно в разрезе, расположенном около центральной дороги.

Анализируя полученные данные, сложно не согласиться с мнением С.Г. Захарова (2107), который указывал, что на лесопокрытых ландшафтах тропа из невинного элемента превращается в своеобразную «удушающую сеть», разбивая исходный лесной массив на все более изолированные участки пульсирующими и расширяющимися пятнами дигрессии почвенно-растительного покрова.

Вероятно, повышенным потерям влаги из верхнего горизонта также способствует страдающий от вытаптывания живой напочвенный покров, видовой состав которого беднее, а проективное покрытие ниже, нежели в зоне, труднодоступной для посетителей.

Низкая водопроницаемость негативно воздействует на рост и развитие растений, что повышает риск их гибели от вымокания. Вероятнее всего, именно это и стало причиной потери коллекции лохов на территории ГБС РАН им. Н.В. Цицина. Все это можно было избежать, проведя вовремя соответствующие мелиоративные мероприятия.

Согласно результатам кластерного анализа, по совокупности всех полученных почвенных показателей произошла группировка зон с максимальным и умеренным антропогенным воздействием, тогда как территория с низким уровнем такого воздействия “отпочковалась” довольно рано (рис.4).

Таким образом, по изменению почвенных показателей можно констатировать, что даже присутствие умеренного антропогенного воздействия заметно сказывается на состоянии почвы.

На рис. 5 показано распределение почвенных показателей (свойств) в многомерном пространстве. На рисунке выделены три области кластеризации показателей. Первая – самая большая, включила в себя значения порозности и влажности верхних генетических горизонтов. Вторая область группировки по центру дендрограммы вобрала в себя только значения плотности почвы в ненарушенном сложении. Причём, уже внутри этой группы заметно разделение на условно “верхние”, “средние” и “нижние” горизонты.

Последняя, третья, самая малочисленная группа включила в себя показатели влажности элювиальных и иллювиальных горизонтов, что может свидетельствовать о том, что тут существенную роль начинает играть влияние грунтовых вод и верховодки.

Следует отметить, что применение этого метода позволило наглядно структурировать связи исследованных показателей с величиной антропогенной нагрузки, а результаты вполне объяснимы с точки зрения научной теории.

На основании полученных результатов исследования можно сформулировать ряд практических рекомендаций по снижению наблюдаемых негативных последствий. К числу первоочередных и наиболее радикальных мер по борьбе с застоем влаги (вызванным переуплотнением и нарушением внутрипочвенного стока) можно рекомендовать реконструкцию дорожного полотна и его дополнение элементами выборочного закрытого материального дренажа. В зонах наиболее критического уплотнения следует использовать материальный или нематериальный аэрационный дренаж. Кроме того, большое внимание следует уделить регулированию потоков посетителей с помощью живых изгородей и активизации информационной работы с гостями ботанического сада.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного исследования удалось оценить важнейшие физические и водно-физические свойства почв территории Главного ботанического сада РАН, занятой коллекцией лохов и находящейся под антропогенным воздействием различной интенсивности. Установлено заметное повышение плотности почвы в ненарушенном сложении в зоне умеренной и максимальной антропогенной нагрузки. В соответствии с уменьшением плотности было отмечено снижение общей порозности и влажности исследованных почв. Применение методов кластерного анализа показало, что по совокупности исследованных показателей зоны с максимальным и умеренным антропогенным воздействием более близки друг к другу, нежели они соотносятся с зоной со слабым антропогенным воздействием. Даже условно “умеренное” антропогенное воздействие заметно сказывается на совокупности важнейших общих физических и водно-физических свойств почв.

Результаты исследования лягут в основу разработки детальных практических рекомендаций по снижению негативных последствий антропогенного воздействия на почвы ГБС РАН и войдут в единую геоинформационную систему ГБС РАН в блок почвенной информации и могут быть использованы в дальнейшем для оценки состояния и мониторинга почв и растений в дендрологических коллекциях и повышения рекреационного потенциала территории ботанического сада

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.

Гревцова В.В., Рысин С.Л. О необходимости создания центра по изучению дубрав на урбанизированных территориях в Главном ботаническом саду РАН // Научные труды Чебоксарского филиала Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина РАН. 2020. № 15. С. 120-122.

Демидов А.С., Рысин С.Л., Кобяков А.В. Возможности использования ГИС-технологий в работе ботанических садов // Лесохозяйственная информация. 2014. № 4. С. 68-72.

Демидов А.С., Шустов М.В., Потапова С.А. Сохранение разнообразия растительного Мира России в Главном ботаническом саду им. Н.В. Цицина // В сборнике: Сохранение разнообразия растительного мира в ботанических садах: традиции, современность, перспективы Материалы Международной конференции, посвящённой 70-летию Центрального сибирского ботанического сада. 2016. С. 96-98.

Захаров С.Г., Кулик И.В. Тропа и рекреационная нагрузка: новый метод определения уплотнения почв на тропах // Географический вестник. 2017. № 2 (41). С. 109-117

Лысиков А.Б. Влияние рекреации на состояние почв в городских лиственных лесах // Лесоведение. 2011. № 4. С. 11-20

Лысиков А.Б. Изменение плотности лесных почв при рекреации // Лесоведение. 2008. № 4. С. 44-49

Лысиков А.Б. Изменения почвенно-экологических условий в лесных биогеоценозах под влиянием рекреации // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2006. № 13. С. 79-82

Меланхолин П.Н., Лысиков А.Б. Влияние дорожно-тропиночной сети на травяную растительность и почвы дубовых лесов Москвы и ближнего Подмосковья // Лесоведение. 2014. № 2. С. 38-45

Мосина Л.В. Антропогенное изменение лесных экосистем в условиях мегаполиса Москва // автореферат дис. … доктора биологических наук / Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева. Москва, 2003. 38 с.

Мурачёва Л.С. Уплотнение почвы как фактор экологических проблем парковых экосистем // В сборнике: Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий Материалы IX Международной научно-практической конференции. Составитель Т.В. Дымова. 2018. С. 85-89

Раппопорт А.В., Лысак Л.В., Марфенина О.Е., Рахлеева А.А., Строганова М.Н., Терехова В.А., Макарова Н.В. Актуальность проведения почвенно-экологических исследований в ботанических садах (на примере Москвы и Санкт-Петербурга) // Бюл. общ-ва испытателей природы (МОИП). 2013. Т. 118. Вып. 5. С. 45-56.

Рысин С.Л., Гревцова В.В. Проблемы сохранения заповедной дубравы на территории ГБС РАН // В сборнике: Сборник материалов XX Международного научно-практического форума “Проблемы озеленения крупных городов” Сборник материалов форума в рамках Международной выставки “Цветы – 2018”. 2018. С. 123-126.

Рысин С.Л., Плотникова Л.С., Трусов Н.А., Яценко И.О. Новые подходы к организации мониторинга состояния растений в дендрологических коллекциях // Бюллетень Главного ботанического сада. 2015a. № 2. С. 15-22.

Рысин С.Л., Трусов Н.А., Яценко И.О. Особенности организации мониторинга ценных древесных растений на урбанизированных территориях // Вестник Московского государственного университета леса – Лесной вестник. 2015b. Т. 19. № 5. С. 140-144.

Смагин А.В., Азовцева Н.А., Смагина М.В., Степанов А.Л., Мягкова А.Д., Курбатова А.С. Некоторые критерии и методы оценки экологического состояния почв в связи с озеленением городских территорий // Почвоведение. 2006. № 5. С. 603-615

Стома Г.В. Экологическое состояние почв и древесных насаждений селитебных ландшафтов г. Москвы // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. 2016. № 1. С. 41-48

Шокин Ю.И., Потапов В.П. ГИС сегодня: состояние, перспективы, решения // Вычислительные технологии. 2015. № 5. С. 175-213.

Яковлев А.С., Евдокимова М.В. Экологическое нормирование почв и управление их качеством // Почвоведение. 2011. № 5. С. 582-596.

World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports. IUSS Working Group. Rome: FAO, 2015. 203 р.

Рецензент: к.б.н., доцент Киселева В.В