Сформировавшаяся региональная система особо охраняемых природных территорий, среди которых заповедники, является современным ядром эколого-географического каркаса территории. Воронежский государственный биосферный заповедник находится на территории Усманского бора, расположенного на границе Липецкой и Воронежской областей. Воронежский государственный биосферный заповедник входит в список биосферных резерватов ЮНЕСКО, в сеть программы «Человек и биосфера». Мониторинг природных сред создал банк информации по компонентам окружающей среды. Климатические особенности связаны с сочетанием влажных и сухих периодов, влияющих на функциональный режим лесных геосистем.
Цель исследования заключается в изучении природно-антропогенных геосистем охраняемых территорий для сохранения регионального биоразнообразия.
Материалы и методы исследования
Для решения поставленной цели использовались методы: сравнительно-географический, геохимический, биоиндикационный и системный анализ.
Результаты исследования и их обсуждение
По данным Сапельниковой И.И. и Базильской И.В. было отмечено, что в последние годы возрастают колебательные процессы в наступлении температурных переходов [1]. Отмечены повышения среднемесячных и максимальных температур воздуха в январе, марте и апреле. Температурные переходы влияют на изменения в природных условиях заповедника [2]. В этой связи на рубеже XXI века в пределах заповедника необходимо выявить закономерности изменения соотношения тепла и влаги. Тип климата заповедника умеренно-континентальный, среднегодовая температура +5,1 °С, средняя температура июля +20,5 °С, января -9,5 °С, длительность безморозного периода составляет 133 дня, а вегетационного периода 185 дней. В среднем за год выпадает около 585 мм осадков.
За длительный период наблюдения комплексный показатель загрязнения воздуха ИЗВ колеблется в пределах 0,8-1,5 [1; 2]. В воздушной среде заповедника отмечены превышения концентрации диоксида азота, формальдегида, взвешенных веществ, их превышение колеблется в пределах 2,6-2,8 ПДК.
Усманский бор относится к островным борам лесостепной зоны и находится в пределах Левобережного придолинно-террасного района, расположенного на Окско-Донской низменности. Территория заповедника расположена на речных террасах левобережья реки Воронеж. Осадочный чехол четвертичного периода залегает на породах девона и мела, которые перекрыты флювиогляциальными и древнеаллювиальными отложениями [3].
Первая и вторая надпойменные террасы сформировались под влиянием валдайского оледенения. На третьей и четвертой надпойменных террасах преобладают покровные суглинки. Песчаные отложения отмытого кварцевого песка имеют мощность до 5-7 м. Усманский бор находится в пределах Воронежского и Усманского неотектонических поднятий [4]. Территория заповедника находится в пределах слабоволнистой равнины, имеющей уклон с востока на запад. Рельеф на водоразделе представлен песчано-бугристыми формами в сочетании с болотными и полуболотными впадинами, склоны речных долин сложены песчаными отложениями. Долины рек и ручьев заповедника в приустьевой части имеют вид слабо выраженных заболоченных впадин, переходящих в поймы принимающих их водотоков. Преобладание бугристо-грядового рельефа, характерно большое количество котловин выдувания на плакорах [5]. На территории заповедника благоприятные условия для образования травяноосоковых болот.
На территории заповедника преобладают песчаные почвы сухих и свежих боров различной степени оподзоленности в сочетании с сильноподзолистыми оглееными почвами влажных боров и торфяно-глеевыми почвами низинных болот [6]. Ландшафтные особенности заповедника представлены на рис. 1.
Рис. 1. Усманские лесные придолинно-террасовые геосистемы ВГБЗ (по данным [6])
Отмечены закономерности смены лесных геосистем от плакора к склонам речных долин, которые сочетаются с простыми суборями и затем переходят к судубравам и дубравам [7]. В поймах рек характерно повышение увлажненности, в этой связи здесь формируются ольшаники на перегнойно-оглеевых почвах. Преобладающим типом почвообразования является элювиально-глеевый. Уникальные природные особенности сформировали своеобразную флору и фауну. Характеристикой биоциркуляционных ландшафтных структур заповедника занимались Трегубов О.В., Солонцев В.Н., Кочергина М.В., Фурменкова Е.С. [8]. Они определили приуроченность родов геосистем к ландшафтным уровням. Выделили на территории заповедника тип транзитных, автономных и аккумулятивных наземных геосистем.
На территории Воронежского государственного биосферного природного заповедника в основном используются физико-географические, геохимические, геофизические, биологические, ландшафтные методы исследования. Большое значение на территории заповедника имеют биоиндикационные методы исследования.
По данным Луговского А.М. и Межовой Л.А., сосна обыкновенная является индикатором изменения природных и техногенных условий на территории заповедника. Анализ морфологических и анатомических изменений в органах сосны [9]. В зависимости от различных условий произрастания на негативное влияние реагирует аппарат фотосинтеза и водопоглощающая система. Это отражается на биопродуктивности пластических веществ и ксероморфизации.
Под воздействием неблагоприятных факторов среды изменяются прирост, расположение побегов, особенности коры и высота дерева. Отмечены некоторые изменения хвои вдоль железнодорожного полотна и автомобильных дорог. Рассмотрение годичного прироста ксилемы в разных органах сосны для обоснования гомеостаза организма позволит изучить целостность функциональной системы сосны, определить закономерности интеграционных процессов метаболизма и проявления адекватности реакции на природные и антропогенные факторы. Такой подход дополнит биомониторинг на территории заповедника.
Лесные геосистемы опушечной части «зоны абсолютного покоя» испытывают воздействие на компоненты природы, которое приводит к понижению видового разнообразия травянистых растений, деградации сосняков, исчезновению ксерофильных видов, росту доли мезофильных лесных видов беспозвоночных животных. Проблемы природоохранного типа природопользования связаны с созданием условий для сохранения биоразнообразия и уникальных ландшафтов заповедника.
В буферной зоне заповедника отмечено понижение видового разнообразия в травянистых сообществах. Произошла мезофилизация дубняков, отмечена трансформация биоразнообразия, исчезают солнцелюбивые ксерофильные виды растений. Для буферной зоны характерно мощное развитие подлеска, представленное в основном кленом остролистным. Это привело к затенению поверхности почвы, увеличению ее влажности.
В этой связи можно утверждать, что биоразнообразие нельзя сохранить, оставив лишь «острова» нетронутой природы.
По территории заповедника протекает река Усмань, которая имеет небольшие скорости течения и расход воды и меридионально пересекает территорию заповедника, исток находится в пределах Липецкой области. Река Усмань входит в реестр гидрологических памятников природы. Русло Усмани представлено плесами, их ширина около 60 м и глубина до 4 м, которые соединены узкими протоками. Уклон у реки незначительный, пойма заболочена, и ее ширина колеблется в пределах от 300 до 1 км. Притоки реки, в пределах заповедника, имеют длину от 0,6 до 4 км, и их насчитывается до 20 [10]. Водно-земельный потенциал бассейна реки Усмань представлен в табл. 1.
Таблица 1
Водно-земельный потенциал бассейна реки Усмань (по данным [11])
|
Водосбор |
Площадь, км2 |
Земли с/х назначения |
Водные ресурсы, млн м3 |
||
|
Тыс. га |
% |
Среднегод. речной сток |
Среднегод. подземный сток |
||
|
Река Усмань |
1380 |
97,51 |
70,4 |
145,0 |
41,4 |
Рис. 2. Гидрохимический состав воды рек Усмань и Ивница, мг/л (по данным [11])
Бассейн реки Ивница (приток Усмани) занимает значительную часть территории заповедника, ширина поймы достигает 500 м и сильно заболочена, с преобладанием травянисто-осоковых болот, в Ивницу впадает 7 притоков. Основными загрязняющими веществами рек заповедника являются тяжелые металлы, азот аммонийный и нефтепродукты, их значения превышали ПДК от 3 до 16 раз [12]. Усредненные геохимические показатели анализа воды в реках Усмань и Ивница представлены на рис. 2.
В летний период минерализация воды в реке Усмань превышает ПДК в 4-5 раз, по содержанию органических веществ также отмечены превышения почти в 5 раз, рН находится в пределах оптимальной величины [13]. По содержанию CO2 характерны незначительные колебания, по HCO3 отмечено небольшое увеличение концентрации. По содержанию марганца в реках Усмань и Ивница превышения ПДК не выявлено, а по кальцию несколько превышены показатели в реке Ивница. Превышено содержание хлора, что свидетельствует о загрязнении вод продуктами хозяйственной деятельности. По содержанию сульфатов показатели также превышены. Вода в исследуемых реках относится к гидрокарбонатно-кальциевому тип. В среднем, по большинству показателей, воды рек находятся в нормах ПДК [11].
Поступление загрязняющих веществ в водоемы связано с хозяйственной деятельностью, так как территорию заповедника окружают населенные пункты. На реке Усмань построены пруды, автомобильные и железнодорожные мосты, которые являются источниками загрязнения. Проведены исследования антропогенной нагрузки в пределах заповедника на основе балльной оценки.
Средняя часть реки менее подвержена антропогенному воздействию, так как расположена на территории заповедника, по сравнению с верхним и нижним течением, так как эти участки реки подвергаются интенсивному антропогенному воздействию. Бассейн реки Усмань – это целостная гидросистема, которая находится под влиянием антропогенного прессинга. Протяженность верховья реки, до входа на территорию заповедника, составляет 33 км. На этом участке созданы три пруда, с суммарным объемом 1,2 млн м3, общей площадью 0,7 км2, и четыре моста, здесь характерен высокий уровень загрязнения за счет аварийных выбросов хозяйственных объектов. Активный забор воды производится в районе населенных пунктов. Нижний, стокилометровый участок реки начинается от п. Краснолесный до устья. Здесь насчитывается 10 мостов, среди которых два железнодорожных. Здесь проводилась очистка русла на глубину 1,5 м, постоянно фиксируются сбросы сточных вод [14].
Следует отметить на этом участке высокую рекреационную нагрузку, интенсивное водопотребление населенными пунктами и садоводческими товариществами [15]. В пределах бассейна реки Усмань насчитывается 33 озера, 50 искусственных прудов, их суммарный объем составляет 14,2 млн м3, площадь водного зеркала 5,6 км2, из них орошается более 3 тыс. га, из них на орошение забирается 6,4 млн м3 воды. Значительное число прудов расположено в бассейне реки Хава.
Изучение природных особенностей реки показало, что она не утратила саморегулируемых свойств, но вместе с тем особую опасность представляют залповые выбросы. В январе 2021 года на территории Липецкой области был совершен сброс неочищенных сточных вод крупным тепличным комплексом «Овощи Черноземья». Также были зафиксированы неоднократные случаи сброса с очистных сооружений загрязненных стоков ОГУП «Липецкоблводоканал». В сбросах стоков концентрация азота аммонийного была превышена в 27 раз, фосфора в 60 раз, нефтепродуктов в 12 раз, сульфатов в 15,5 раза, фосфатов в 60 раз, БПК5 снизилось в 4 раза. В результате произошел замор рыбы. На территории заповедника изучены 24 вида рыб, из них 2 вида включены в Красную книгу Воронежской области. В этой связи необходимо провести комплексные исследования биологического потенциала реки.
Таблица 2
Физико-географическое районирование реки Усмань по степени ее антропогенной трансформации (по данным [14])
|
Величина антропогенной нагрузки, в баллах |
Характеристика участка гидросистем |
|
<5 |
Природный участок гидросистемы |
|
5-25 |
Природный участок гидросистемы с незначительной антропогенной нагрузкой |
|
26-50 |
Природно-антропогенный участок гидросистемы со средней степенью нагрузки |
|
51-75 |
Антропогенные водные комплексы с высокой степенью нагрузки |
|
76-100 |
Антропогенные водные комплексы со значительной степенью нагрузки |
По результатам мониторинга природные среды заповедника характеризуются различными типами антропогенного воздействия. Наиболее острые проблемы характерны для гидросистем заповедника. Река Усмань, пересекая территорию заповедника, испытывает высокий антропогенный прессинг, усугубляемый аварийными ситуациями. Антропогенная трансформация характерна для буферной зоны заповедника. Среди линейных источников выделяются дорожно-транспортный и топливно-энергетический комплексы.
Анализ мониторинговых исследований гидросистем заповедника выявил ряд закономерностей. Определены показатели изменения гидрохимического режима гидросистем заповедника, отмечены изменения минерализации вод, увеличение показателей по хлору, магнию. Характерно увеличение в 2-20 раз концентрации биогенных веществ как в речных, так и в озерных геосистемах. Выявлены корреляционные зависимости повышения температурного режима водоемов и снижения уровня кислорода из-за увеличения биогенных веществ в них.
Заключение
Таким образом, Воронежский государственный биосферный заповедник является хранителем зонального и реликтового генофонда. Основными проблемами сохранения биоразнообразия являются:
– снижение качества условий произрастания лесных геосистем;
– неудовлетворительное состояние хвой- ных лесов и дубрав, высокий уровень пожароопасности;
– выявлено изменение водного, солевого, воздушного, окислительно-восстановительного режима почв;
– очаги усыхания хвойных пород имеют высокую агрессивность.
В этой связи необходимо создание прогнозных моделей протекания природных процессов и явлений, с наложением антропогенных факторов.