Антропогенные изменения тундровой растительности в окрестностях г. Воркута, обнаруженные с помощью космических снимков

Tarmo Virtanen, Researcher
The Finnish Forest Research Institute, Rovaniemi Research Station
(same for all of us)
Expertise: еcological impacts of climate change, GIS, forest entomology
E-mail: Tarmo.Virtanen@metla.fi
Phone: +358-16-336 4404

Kari Mikkola, Researcher
Expertise: forest ecology, effects of pollutants to forests,
remote sensing, GIS
E-mail: Kari.Mikkola@metla.fi
Phone: +358-16-336 4412

Ari Nikula, Researcher
Expertise: landscape ecology, GIS,
applied zoology
E-mail: Ari.Nikula@metla.fi
Phone: +358-16-336 4418

к.б.н. Е. Патова
с.н.с. лаборатории экологии тундры
Института биологии Коми НЦ УрО РАН
E-mail: patova@ib.komisc.ru,
тел. (8212) 21 67 52
Научные интересы: альгология, экология тундры

В течение последних десятилетий дистанционными методами исследований зарегистрирована сильнейшая деградация растительного покрова под влиянием металлоплавильного производства на Кольском полуострове в окрестностях г. Норильск [13, 15, 16]. В Воркутинском регионе такие исследования ранее не проводились. Наши исследования на основе мозаичных снимков Landsat ТМ базировались на классификации растительности в бассейне реки Уса. Эта классификация была частью исследовательского проекта “ТУНДРА” (Деградация тундры в Российской Арк-тике), спонсированного Европейской комиссией по программе Окружающая среда и Климат. Базовые данные собраны летом 1998-1999 гг. в разных типах растительности в фоновых районах бассейна р. Уса. Во время классификации мы заметили, что спектральные классы, расположенные в районе г. Воркута, отличаются от других регионов и они ясно связаны с местной (локальной) индустриальной активностью. В частности, районы, которые должны потенциально выглядеть на снимках, как нормальная кустарничковая тундра, имели спектральные характеристики, не обнаруженные в других обследованных местах. Тем не менее, спектральные сигналы не индицируют деградацию зеленой биомассы, как в случае плавильного производства на Кольском полуострове и Норильске [13, 15, 16]. Это наблюдение было так интересно, что мы решили провести полевые исследования для описания количества реальных изменений растительности в Воркутинском регионе в 2000 г.

Когда мы начали обсуждать эти наблюдения с исследователями Института биологии, то обнаружили, что российские ученые уже проводили исследования антропогенных изменений экосистем в окрестностях Воркуты. Первые наблюдения за изменениями растительного покрова под влиянием антропогенных факторов были начаты сотрудниками центральной лаборатории охраны природы Министерства сельского хозяйства г. Москва [4-6]. Они оценивали степень загрязнения природных ландшафтов в зависимости от количества загрязняющих пылевых частиц в снежном покрове в разных районах окрестностей города и реакции на эти загрязнения наземной растительности. Учеными была сделана карта-схема окрестностей г. Воркута с зонами различной степени загрязнения. В условно фоновой зоне изменений растительности они не наблюдали. В зонах слабого, среднего и сильного загрязнения отмечено выпадение из сообществ ряда чувствительных видов лишайников, наименьшее разнообразие которых отмечено при максимальном загрязнении. Напротив, количество некоторых групп мохообразных, а также обилие злаков возрастало с увеличением степени нарушений. Зона максимального загрязнения была выделена в окрестностях цементного завода. Здесь отмечено абсолютное отсутствие лишайников и анормальное обилие в сообществах злаков. Наиболее полно динамика растительности в районах интенсивного освоения на территории Воркутинского промышленного комплекса изучена О.А. Дружининой [3]. Изучение влияния пылевых загрязнений на различные компоненты тундровых экосистем этого района были проведены сотрудниками лаборатории экологии тундры Института биологии в девяностые годы [2, 7].

В этой статье приведены типы антропогенных изменений кустарниковой тундры, которые могут быть распознаны с помощью классификации Landsat ТМ в окрестностях Воркутинского промышленного комплекса. Дистанционное зондирование особенно полезно в техническом мониторинге этого региона, что особенно актуально в связи с отсутствием дорог уже на небольшом расстоянии от промышленного кольца города, где возможности наземных исследований лимитированы. Мы также описывали при проведении исследований растительные сообщества и сравнивали их с теми данными, которые получили ранее российские исследователи. Обсуждаются возможные механизмы изменений. Эта публикация базируется на подробной статье, которая представлена в интернациональный журнал.

Карликовая березка (Betula nana L.) доминирует в кустарниковых тундрах и формирует наиболее обычный тип растительности в регионе, чаще всего ерник встречается в хорошо дренированных местах. Далее мы будем называть в статье этот тип растительности "крупнокустарниковая тундра". Такой тип тундры характерен для восточной части бассейна р. Уса.

Исследования в окрестностях Воркуты были проведены в конце июля 2000 г. Мы обследовали участки крупнокустарниковой тундры и микротопографически сходные места. Участки были выбраны в юго-западном и северо-восточном направлениях от индустриального комплекса на трансекте около 70 км длиной. Участки, лишенные дорог, были исследованы с использованием вездехода. Дополнительно были обследованы участки возле дорог. Кроме этого, нами использованы данные по крупнокустарниковым тундрам Полярного Урала, полученные при полевых сборах 1999 г. В общей сложности обследовано 34 участка, на которых было определено проективное покрытие различных групп растительности на трех округлых площадках 10 м в диаметре. На каждой из них на четырех пробных площадках 0.5 м² определен видовой состав растений, проективное покрытие и средняя высота ведущих видов. Собраны пробы для учета фитомассы всех высших растений (исключая мхи и лишайники). Сухая масса проб была определена в лабораторных условиях.

Анализируемые снимки (Landsat TM 5: path 166, row 13) были получены 31 июля 1988 г. Для обследованных участков мы использовали специально созданные спектральные сигнатуры для двух импактных классов, загрязненные и нарушенные/слабозагрязненные, используемые в спектральной классификации. Для растительности и типов напочвенного покрова, отличных от крупнокустарниковых тундр, мы использовали спектральные сигнатуры созданные в рамках исследований разных регионов бассейна р. Уса летом 1998-1999 гг. при выполнении программы "ТУНДРА".

На основе полевых описаний растительности мы классифицировали обследованные участки согласно признакам их загрязнения и/или антропогенного воздействия, используя следующие классы: 1. Фоновый. 2. Эвтрофикация/слабое механическое нарушение. 3. Слабое воздействие загрязнения. 4. Сильное воздействие загрязнения.

В районах с отсутствием влияния поллютантов в кустарниковом ярусе типичных крупнокустарниковых тундр доминирует карликовая береза: проективное покрытие (ПП) 20-50 % и высота 0.2-0.6 м. Представлен также ряд видов ив (которые обычно не выше ерника), ПП которых не превышает чаще всего 5 %. Кустарнички (особенно виды рода Vaccinium, и в меньшей степени другие виды) обычно покрывают около 10 %, мхи 20-40 % и травянистые растения (злаки, осоки и разнотравье) 5-15 %. ПП лишайников варьирует от 20 % до почти нулевого значения. Такое изменение ПП объяснимо разной степенью поедания лишайников оленями. В отличие от промышленных районов, в других частях этого региона, особенно на Полярном Урале, лишайники поедаются оленями очень интенсивно. Сравнение количества лишайников фоновых районов возле Полярного Урала с другими местами показало, что в районе Урала ПП лишайников составляет 3.1 %, в то время как для других мест в среднем 13.3 %.

При перемещении в районы с антропогенным влиянием ПП ив возрастает с 4 до 17 %, а ПП ерника падает с 30 до 18%. В это же время ПП кустарничков уменьшается с 10 до 5 %. Лишайники полностью отсутствуют в районах с высоким влиянием загрязнения, их обилие также снижено в районах со слабым загрязнением. Исключением являются лишайники Peltigera rufescens (Weiss) Humb. и Leptogium saturnium (Dicks.) Nyl. — виды, регулярно отмечаемые в сильно загрязненных зонах. Интересно, что эти виды являются редкими в фоновых районах. При передвижении из фоновых районов в сильно загрязненные возрастает ПП растительного опада с 1 до 4 %.

Обилие злаков, осок и разнотравья наиболее высоко в слабо механически нарушенных/эвтрофицированных районах (свыше 30 %), незначительно уменьшено в загрязненных (16 и 15 %), и наименьшее в фоновых районах (10 %). К тому же, некоторые не типичные или не широко распространенные в тундре виды часто отмечались в эвтрофицированных/слабо механически нарушенных районах. С большим обилием представлены также виды злаков и трав, наиболее характерные для ранних сукцессий на нарушенных участках (криогенные процессы, кострища, обочины дорог и т.д.), такие как Festuca ovina L., Calamagrostis lapponica (Wahl.) Hartm. и Epilobium angustifolium L.

Не было зарегистрировано статистически значимой разницы в фитомассе (ФМ) наземной растительности обследованных районов. Средние значения сухой ФМ импактных районов составили 371 г/м2 (пределы 154-1036), в эвтрофицированных/механически нарушенных и слабо загрязненных 333 г/м² (пределы 284-399). В сильно загрязненных участках средние значения составили 341 г/м² (пределы 252-448). Естественные вариации ФМ в незагрязненных зонах были достаточно высоки, но для всех обследованных импактных районов они были одного порядка с незагрязненными.

При проведении исследований было отмечено, что листья ив возле источников загрязнения (цементный завод и ТЭЦ), но не в других районах, интенсивно заселены листоедами (Melasoma lapponica L.). Этот же вид жуков сильно повреждает ивняки в загрязненных регионах Кольского полуострова [17].

На классификационном снимке Landsat ТМ мы выделили две разные импактные зоны (рис. 1). 1. Зона загрязнения. Ее формирование связано с влиянием двух крупнейших источников загрязнения — цементного завода (рис. 2) и теплоэлектростанции (ТЭЦ 2). Они расположены на 15 км севернее г. Воркута, рядом друг с другом. Здесь отсутствуют лишайники (за исключением P. rufescens и L. saturnium), ивы доминируют в большей степени, чем в других незагрязненных районах. На некоторых площадках этой зоны были отмечены повреждения или отмершие части кустарничков и погибшие участки мохового покрова с большей частотой, чем в фоновых районах. Впрочем, и общая толщина мохового покрова здесь уже. Растительность также в сильной степени покрыта пылевыми выбросами. Районы с явным эффектом загрязнения в Воркутинском регионе, включая все типы растительности и почв, составляют приблизительно 150-200 км². Такой же тип изменений шириной 200-1000 м наблюдается вдоль железных дорог, шахт. Возле пос. Хальмер-Ю на снимках наблюдается еще одна сильно загрязненная зона диаметром 50-100 км² (рис. 1). 2. Зона слабого загрязнения/нарушения. Изменения растительности здесь имеют сходные черты, но менее заметны, чем в первой зоне. Кроме того, здесь представлены злаки и травянистые растения в большей степени типичные для крупнокустарниковых тундр. Протяженность этой зоны вокруг Воркуты составляет около 600-900 км² (включая зону 1).

Зоны антропогенного влияния, выявленные с помощью космических снимков (рис. 1) были представлены в общих чертах и ранее в работах российских исследователей. Ясно, что выделение наиболее загрязненных районов в окрестностях г. Воркута ученые связывали с районами максимального влияния источников загрязнения, таких как цементный завод и теплоэлектростанция [5-8]. Юго-западное и южное направления ветров являются преобладающими в этом регионе с сентября до апреля, с мая по август направление ветров варьирует, но преобладают северные и северо-западные ветра [1]. Соответственно зона загрязнения согласно нашей классификации простирается дальше всего на северо-восток от источников выбросов. Зона слабого загрязнения/нарушения оконтуривает шахты и окрестности поселков, но также имеет тенденцию смещения в восточном направлении. В основе перестройки растительности Воркутинского региона лежат изменения почвенного покрова под влиянием эмиссий загрязняющих веществ. В зоне пылевых выбросов формируется техногенный горизонт (h = 15-30 см), изменяется реакция почвенного раствора (pH 6.7-8.9), резко повышается содержание обменного кальция (в 10-20 раз) и азота (в 2-4 раза), аккумулируются тяжелые металлы, например, наблюдается превышение ПДК по содержанию: меди в 1.7-1.9 раза, цинка — 2.5-5.0 раз. Наблюдается повышенное по сравнению с фоном содержание Cd в 15-20 раз, Co — 2.5-3.8 раз [7]. Однако эти значения значительно ниже, чем в зоне влияния медно-никелевого плавильного производства "Североникель" в Мончегорске на Кольском п-ве, например, концентрация Cu в почвах здесь выше в 300, а Ni в 100 раз, чем в фоновых районах [14].

П. Критенден и Т. Уолкер из Ноттингемского университета (Англия) изучили степень загрязнения в различных частях бассейна р. Уса при выполнении проекта "ТУНДРА". Два исследованных ими в 1999 г. участка были расположены в восьми и 15 км от главных источников эмиссий г. Воркута, оба местообитания попадают в зону слабого загрязнения/механического нарушения по нашей классификации. В этих местообитаниях концентрации Ca в снегу были приблизительно 20 раз выше, чем в других районах, а средние значения рН почвы были 5.7 и 6.8 соответственно. В фоновых сайтах северо-восточной части бассейна р. Уса рН почвы были около 5.0, а в ряде районов ниже 4.5. Концентрации тяжелых металлов в загрязненных районах в снегу и почве превышали фоновые значения от 2 до 10 раз.

В заключение мы бы хотели представить гипотезы о механизмах описанных выше изменений растительности, которые разделены на три группы:

1. Эффекты прямого нарушения, которые могут быть рассмотрены на примере лишайников, чувствительных к воздушным загрязнениям, особенно к SO₂. Отсутствие лишайников возле источников загрязнения объяснимо фитотоксичными эффектами поллютантов [2, 8].

2. Механические нарушения, обогащение почвы. Участки механически нарушенных кустарниковых тундр обычно заселены злаками и осоками [3, 11]. Кроме того, эксперименты показали, что обилие злаков в кустарниковых тундрах быстро увеличивается после удобрения почвы [12]. Известно, что щелочные выбросы вызывают снижение обилия сфагновых мхов и большинства видов лишайников, в то время как число многих злаков и мхов быстро возрастает [9, 10]. Все эти изменения растительности представлены в Воркутинском регионе [3, 5, 6].

3. Эффекты, связанные с ранним таянием снега. Несомненно, пылевые выбросы вызывают раннее таяние снега в окрестностях Воркуты, это демонстрирует и рисунок, составленный на основе космических снимков (рис. 2). Районы низинной тундры с рано растаявшим снегом явно коррелируют с зонами максимальных эмиссий. Очертания рано растаявших участков вокруг Воркуты на снимке хорошо соответствовали изолиниям пылевого загрязнения, представленного ранее [6]. Быстрое открытие поверхности почвы от снега удлиняет период вегетации растений, но также повышает риск таяния мерзлоты. Ерник предпочитает местообитания с мощным снежным покровом. Одним из потенциальных факторов, способствующих замещению ерника ивами, может быть различная чувствительность к морозу, а также возможно разная способность к восстановлению после повреждений морозами. В районах с ранним сходом снега мерзлота должна, в общем, протаивать глубже, но глубина протаивания зависит от толщины напочвенного покрова и типа растительности. На лишенных растительности участках глубина протаивания активного слоя почвы будет возрастать в соответствии с их теплопроводностью [3]. Напротив, густой растительный покров, особенно густой моховой покров, препятствуют таянию снега [5]. С нашей точки зрения большое влияние потенциальных изменений мерзлоты, вызванных хозяйственной деятельностью, на кустарниковую тундру в Воркутинском регионе не выглядит столь очевидным. Однако, как эти изменения подействуют на грунтовые воды? Может ли повышение влажности грунтов влиять на доминирование ив?

Несомненно, изменения растительности в Воркутинском регионе вызваны комбинацией антропогенных факторов. В конечном результате изменения зависят от интенсивности воздействия поллютантов, характера протекающих процессов, а также локализации исследуемых участков в окрестностях Воркуты. Однако, две различные зоны антропогенного влияния очевидно обнаруживаются в регионе, и они могут быть классифицированы с помощью космических снимков Landsat TM. Первая зона — зона запыления вокруг цементного завода и теплоэлектростанции. Здесь многие виды растений чувствуют себя хорошо, но поллютанты оказывают сильное влияние на некоторые виды, а более чувствительные к загрязнению виды исчезают. Вторая зона — более широкая по площади, окружает все крупные промышленные зоны, здесь видовой состав растительных сообществ также изменяется, но очевидное влияние загрязнения не выражено.

ЛИТЕРАТУРА

1. Атлас Республики Коми по климату и гидрологии / Отв. ред. А.И. Таскаев. М., 1997. 200 с.

2. Грунина Л.К., Овсова Т.А. Биогенная аккумуляция азота, зольных элементов и тяжелых металлов споровыми растениями в условиях Большеземельской тундры // Некоторые подходы к организации экологического мониторинга в районах разведки, добычи и транспортировки нефти и газа. Сыктывкар, 1996. С. 40-49.

3. Дружинина О.А. Динамика растительности в районах интенсивного освоения Крайнего Севера // Сообщества Крайнего Севера и человек / Ред. Ю.И. Чернов. М., 1985. С. 205-231.

4. Кулиев А.Н. Влияние запыленности на растительность тундры в окрестностях города Воркуты // Научные основы охраны природы. М., 1977. Вып. 5. С. 22-28.

5. Кулиев А.Н. К изучению влияния запыленности на растительность тундры в окрестностях г. Воркута // Влияние деятельности человека на природные экосистемы. М., 1979. С. 60-66.

6. Кулиев А.Н., Лобанов В.А. Распределение пылевидных загрязнений в окрестностях г. Воркута // Изменение природной среды в связи с деятельностью человека. М., 1978. С. 81-89.

7. Состояние окружающей среды в Большеземельской тундре на территории Воркутинского промышленного региона / М.В. Гецен, А.С. Стенина, Л.Г. Хохлова и др. // Народное хозяйство Республики Коми, 1994. № 3. С. 68-75.

8. Шапиро И.А., Равинская А.П. Влияние атмосферного загрязнения в воркутинском промышленном районе на дыхание и клеточную проницаемость у лишайников // Биоиндикация состояния природной среды Воркутинской тундры. Сыктывкар, 1996. C.115-120.

9. Auerbach N.A., Walker M.D., Walker D.A. Effects of road dust on substrate and vegetation properties in arctic tundra // Ecol. Appl., 1997. № 7. P. 218-235.

10. Forbes B.C. Tundra disturbance studies. III. Short-term effects of aeolian sand and dust, Yamal Region, Northwest Siberia, Russia // Environ. Conservation, 1995. № 7. P. 335-344.

11. Forbes B.C., Jeffries R.L. Revegetation of disturbed arctic sites: constraints and applications // Biol. Conservation, 1999. № 88. P. 15-24.

12. Jonasson S. Plant responses to fertilization and species removal in tundra related to community structure and clona-lity // Oikos, 1992. № 63. P. 420-429.

13. Hagner O., Rigina O. Detection of forest decline in Monchegorsk area // Remote Sensing of Environment, 1998. № 63. P. 11-23.

14. Lukina N., Nikonov V. Assessment of environmental impact zones in the Kola Peninsula forest ecosystems // Chemosphere, 2001. № 42. P. 19-32.

15. Mikkola K. A remote sensing analysis of vegetation damage around metal smelters in the Kola Peninsula, Russia // Intrn. J. Remote Sensing, 1996. № 17. P. 3675-3690.

16. Toutoubalina O.V., Rees G.W. Remote sensing of industrial impact on Arctic vegetation around Noril’sk, northern Siberia: preliminary results // Intrn. J. Remote Sensing, 1999. № 20. P. 2979-2990.

17. Zvereva E., Kozlov M., Neuvonen S. Population density and performance of Melasoma lapponica (Coleoptera: Chrysomelidae) in surroundings of smelter complex // Environ. Entomol., 1995. № 24. P. 707-715.