Assessment of sustainability of natural complexes of the Minyarsky physiographic region of the Western slope of the Southern Urals

Full Text

Введение

Изучение и анализ изменений природных систем, возможный прогноз последствий хозяйственного воздействия на отдельные компоненты экосистем является одним из главных направлений современной экологической науки. Разнообразие видов природопользования приводит к антропогенной преобразованности современных ландшафтов, выражающейся, прежде всего, в нарушении естественных взаимосвязей между компонентами экологических систем, в обеднении и выпадении отдельных компонентов, что значительно влияет на структуру и механизмы функционирования экосистем. Следствием реакции природной среды на антропогенное воздействие является ухудшение состояния экосистем, что существенно снижает их устойчивость. Существует ряд публикаций, характеризующих особенности природных комплексов Южного Урала и их изменения как результат антропогенного воздействия [1; 2; 3; 4; 5]. Однако детальных исследований по изучению современного состояния природных сообществ крайне западного Миньярского физико-географического района (ФГР) Челябинской области в последнее десятилетие не проводилось, также склоновые ландшафты местностей в долине реки Миньяр не изучены.

Цель и объекты исследования

Цель проведенных исследований – на основе ландшафтно-экологических подходов выявить степень устойчивости природных систем зоны низкогорий западного склона Южного Урала к антропогенным воздействиям. Исходными данными для написания статьи служат материалы полевых исследований и дистанционных наблюдений в период 2022–2023 гг., анализ тематических карт, анализ материалов дистанционного зондирования.

Отличительной особенностью природных комплексов Миньярского ФГР является их формирование на стыке Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнин. Ведущую роль в формировании ландшафтов играют климатические и геоморфологические условия. Территория исследуемого района большую часть года находится под воздействием приатлантических циркуляций воздушных масс, господствующих над Восточно-Европейской равниной. Резкие перепады высот создают барьер для несущих влагу атлантических воздушных масс, в результате климат района влажный, годовое количество осадков составляет 580–680 мм. Определенную роль играют континентальные воздушные массы, приходящие из Сибири, и воздушные массы, поступающие из Арктики. Господствующие воздушные массы умеренных широт образуют атмосферные фронты с арктическим и тропическим воздухом. Продолжительность вегетационного периода составляет от 110 до 120 дней [6, с. 88].

Исследования проведены в Миньярском физико-географическом районе, относящемся к лесной зоне Уральской горной страны, к провинции остаточных гор западного склона Южного Урала [7, с. 239]. Территория исследования обобщенно представляет собой кряжевую зону уральского горного сооружения и находится на северной границе приподнятого горного массива Южного Урала и юго-западной границе остаточных гор западного склона Урала в зоне высокой интенсивности деформаций в ходе неотектонических движений [15, рис. 4], линии изучаемых профилей лежат в границах эрозионно-аккумулятивных и структурных депрессий, склоны речных долин расположены на денудационных поверхностях выравнивания, а современные поверхности врезания образованы в плиоцен–четвертичный период, склоны сложены рыхлыми плиоценовыми отложениями и выражены рельефе глубокими, расчлененными долинами рек Миньяр и Сим. Исследуемая территория находится в зоне флювиальных и денудационных процессов, а также активных инфильтрационных процессов, сопровождающихся карстообразованием, где, как правило, преобладают флювиальные процессы, интенсивно развита антропогенно обусловленная эрозия, а в периоды засушливых сезонов на склонах может развиваться частичная дефляция [9, с. 124–126].

В целом рельеф представляет собой систему сложнорасчлененных горных гряд (средние высоты 400–600 м, отдельные горные поднятия имеют высоту до 700–900 м) с карстовыми плато, делювиально-пролювиальными полями. Широко распространены карстовые морфоскульптуры в виде пещерных провалов, множественных полостей.

Особое место в исследуемом районе занимают леса, которые выполняют огромную водоохранную, водорегулирующую, почвозащитную, санитарно-гигиеническую и рекреационную функции. По мнению Н.С. Ивановой «Экотонное положение способствует большей уязвимости лесов Урала к климатическим сменам и антропогенным воздействиям по сравнению с лесами других регионов» [1, с. 31].

В почвенном покрове преобладают горные серые, светло-серые и бурые лесные, встречаются горные слабоподзолистые и дерново-подзолистые почвы. Формирующиеся на известняках почвы чаще скелетные и маломощные. В условиях влажного и мягкого климата широко распространены широколиственно-темнохвойные леса, которые представлены пихтово-еловыми насаждениями с подлеском из липы, дуба, клена, ильма в подросте и втором ярусе. Сосновые леса произрастают в бассейне реки Миньяр, а также южнее г. Сима. В целом, леса занимают 81% всей площади. Это единственный в Челябинской области муниципальный район, на территории которого преобладают широколиственные леса, где встречаются дуб, вяз, клен, липа, орешник; по территории района проходит восточная граница ареала средообразующего вида – дуба черешчатого и соответственно восточные пределы распространения фитоценозов с его участием [10, с. 108].

Материалы и методика исследований

В основу полевых исследований положен метод ландшафтного профилирования с закладкой на ключевых участках геоботанических площадок. На ключевых участках выполнено описание рельефа, геоморфологических элементов, проводились метеорологические наблюдения, закладывались и описывались почвенные разрезы и геоботанические площадки. Исследования лесных площадок проводились согласно общепринятой методике обследования лесов [11, с. 29]. Данные, полученные в ходе полевых исследований, подвергались статистической и математической обработке. В ходе полевых работ, анализа снимков построены 2 ландшафтных профиля по склонам г. Ягодная (рис. 1) и г. Рудничная (рис. 2) в окрестностях города Миньяра и изучены особенности участков профилирования, описаны физико-географические и почвенно-климатические и условия изучаемого типа местности.

Результаты исследований и их обсуждение

 

Рисунок 1 – Фрагмент снимка с местом расположения ключевых точек профиля 1–3 (юго-восточный склон г. Ягодная, в окрестностях города Миньяра)

 

Обследованные нами участки (рис. 3: точки 1–3) представлены смешанными широколиственно-темнохвойными лесами, древесный ярус которых имеет сложную пространственную и возрастную структуру. В состав древостоя входят: ель сибирская (Picea obovata Ledeb.), пихта сибирская (Abies sibirica), дуб черешчатый (Quercus robur), клен остролистный (Acer platanoides L.), липа сердцевидная (Tilia cordata Mill.), вяз шершавый (Ulmus glabra Huds.), береза повислая (Betula pendula), осина обыкновенная (Populus tremula L.).

 

Рисунок 2 – Фрагмент снимка с местом расположения ключевых точек профиля 4–5 (северо-восточный склон г. Рудничная, в окрестностях города Миньяра)

 

Верхний ярус древостоя формируют темнохвойные породы с примесью липы и березы, нижний ярус – тонкомерные деревья темнохвойных и широколиственных пород.

На исследуемой территории в пределах одного ландшафта наблюдаются различия в микрорельефе и микроклимате, что обусловливает не значительные изменения в гидрологическом и почвенном режимах. Однако это приводит к тому, что на участках ландшафта, где формируются наиболее благоприятный температурный, водный режимы, чаще произрастают широколиственные породы деревьев. Ухудшение их приводит к тому, что господствующими породами становятся ель и пихта. Наблюдения подтверждаются опубликованными ранее результатами [12, с. 99].

В целом, рельеф территории представлен пологоволнистыми поверхностями выравнивания, особенностью которых является низкая устойчивость к антропогенной нагрузке, поскольку нарастающая крутизна склонов усиливает плоскостной смыв, лишает склон гумусового слоя и усиливает поверхностную эрозию. По классификации [13, с. 77] представленные участки профилирования относятся к общей динамико-генетической системе склоновых ландшафтов, локальному типу организации, катенарной категории и векторным с переносом вещества с помощью динамических потоков.

Ключевые климатические факторы, которые учитывались в ходе анализа, это радиационный баланс, наличие ветрового воздействия и степени увлажнения склонов. Радиационный баланс усиливает скорости и тенденции происходящих в ландшафте процессов. Наличие влаги определяет степени растворения или концентрации поступающего по склонам вещества, а ветровой режим способствует разносу вещества и формирует направленность процессов.

Представленные ландшафтные комплексы (рис. 1) расположены на склоне, имеющем уклон >20°, и меняются от лугово-земляничных, разнотравно-злаковых на водоразделе до манжетниково-разнотравных и хвощевых ассоциаций в понижениях аккумулятивных участках, где происходит вынос вещества и накопление транзитных продуктов в почвенном покрове. В ходе профилирования выявлено, что широколиственные дубовые формации в средней части склона имеют тенденцию к смене на липовые, вероятно, это связано с маломощностью гумусового горизонта, промывным типом режима, высоким затенением надпочвенного покрова, что для размножения дуба является критическим фактором [12, с. 20].

 

Рисунок 3 – Профиль по юго-восточному склону г. Ягодная, в окрестностях города Миньяра

 

Значительную часть склона занимают луговые ассоциации (рис. 3), представленные землянично-злаковым и злаково-манжетниковым разнотравьем. Почвенный покров в значительной степени представлен светло-серыми, среднесуглинистыми маломощными почвами. Отличительной чертой изучаемого профиля является аккумулятивный участок, где на смытых и маломощных подкисленных почвах, рекультивируемых опилочным покровом, появляется хвощ. Определяя тем самым процессы вторичной сукцессии. Восстановление в этой части склона идет достаточно медленно и усугубляется интенсивными склоновыми процессами.

Изученные склоновые природные комплексы (рис. 2) отличаются большей устойчивостью, поскольку плотно задернованы и покрыты широколиственно-еловыми лесами на скелетных маломошных почвах в пределах водоразделов и до лугово-разнотравных ассоциаций у подножия г. Рудничной (рис. 4). Уклон на изучаемом участке составляет около более 20°, что лишь усиливает эрозионные процессы. При этом склон имеет в верхней части профиля участки леса с вязом и дубом – основным эдификатором древесного яруса.

 

Рисунок 4 – Профиль по северо-восточному склону г. Рудничная, в окрестностях города Миньяра

 

Формирующиеся на склонах низкогорий луговые комплексы имеют характерные черты, которые обусловлены особенностями геолого-геоморфологического строения исследуемой территории, а также особенностями климата и степенью влияния антропогенной деятельностью на природные комплексы. Ландшафтные исследования показывают, что широкое распространение получили ассоциации манжетки. Видовая насыщенность достаточно высокая от 25 до 40, проективное покрытие составляет 90–100%. Широко распространены земляника зеленая (Fragaria viridis Weston), смолевка обыкновенная (Oberna behen L.), клевер горный (Trifolium montanum L.), фиалка трехцветная (Viola tricolor L.). Встречаются козлобородник восточный (Tragopogon orientalis L.), чемерица Лобеля (Veratrum lobelianum Bernh.), горошек заборный (Vicia sepium L.), гравилат речной (Geum rivale L.), мытник уральский (Pedicularis uralensis Vved.) и др. В верхних частях склонов (г. Ягодная) проективное покрытие снижается до 80–90%, в составе травостоя увеличивается процент участия злаков (типчак (Festuca rupicola Heuff.), пырей ползучий (Elytrigia repens L.), кострец (Bromopsis riparia Rehmann)). В пониженных элементах встречаются лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria L.), осока пальчатая (Carex digitata L.), вейник наземный (Calamagrostis epigeios L.).

Преимущественно на известковых субстратах распространены ветреница лесная (Anemone sylvestris L.), скабиоза бледно-жёлтая (Scabiosa ochroleuca L.), репешок азиатский (Agrimonia asiatica Juz.), зверобой изящный (Hypericum elegans Steph. ex Willd.). На склонах с близким залеганием скальных пород увеличиваются площади петрофильных степей с участием оносмы простейшей (Onosma simplicissima L.), василька сибирского (Psephellus sibiricus L.), тимьяна ползучего (Thymus serpyllum L.), зопника клубненосного (Phlomoides tuberosa L.), астры альпийской (Aster alpinus L.), гвоздики иглолистной (Dianthus acicularis Fisch. ex Ledeb.) и др.

Устойчивость природных комплексов как способность систем к саморегуляции и самовосстановлению после природного или антропогенного воздействия определялась нами через интегральную величину, включающую в себя геохимическую, биологическую и механическую устойчивость компонентов экосистемы [3, с. 26]. При интегральной оценке устойчивости ландшафтов к антропогенному воздействию нами использовались принципы оценки устойчивости, предложенные М.А. Глазовской [14, с. 99–118], И.В. Орловой [15, с. 127], Т.В. Антюфеевой [16, с. 7].

Интегральный показатель устойчивости природных комплексов определялся по формуле:

$C=\frac{100{\displaystyle {\sum }_{g=1}^n{C}_g}}{Q}$

где С – устойчивость ландшафта, %; С_g – количество баллов, присвоенное территории за каждый показатель; Q – максимально возможная сумма баллов; g – порядковый номер показателя; n – количество показателей.

Результаты оценки устойчивости исследуемых природных систем представлены в табл. 1.

 

Таблица 1 – Степень устойчивости склоновых природных комплексов г. Ягодная и г. Рудничная на основе нормирования и суммирования по геохимической и биологической оценке

№ точки		1	2	3	4	5
Характер рельефа	знач.	холмисто-увалистый	холмисто-увалистый	холмисто-увалистый	холмисто-увалистый	холмисто-увалистый
	балл	2	2	2	2	2
Радиационный баланс, ккал/см³ год	знач.	30–37	30–37	30–37	30–37	30–37
	балл	4	4	4	4	4
Коэффициент увлажнения	знач.	0,8–0,9	0,8–0,9	0,8–0,9	0,8–0,9	0,8–0,9
	балл	5	5	5	5	5
Ветровой режим (кол-во дней с сильными ветрами)	знач.	>51	>51	>51	>51	>51
	балл	1	1	1	1	1
Крутизна склона, °	знач.	>23	>23	>18	>20	>18
	балл	1	1	1	1	1
Геохимическое положение на склоне	знач.	аккумулятивное	транзитное	эллювиальное	эллювиальное	транзитное
	балл	1	3	5	5	3
Степень естественной дренированности	знач.	слабо дренированная	дренированная	дренированная	интенсивно дренированная	дренированная
	балл	3	4	4	5	4
Степень гидроморфности почв	знач.	автоморфная	автоморфная	автоморфная	автоморфная	автоморфная
	балл	5	5	5	5	5
Механический состав почвы	знач.	тяжелый  суглинок	средний  суглинок	средний  суглинок	легкий  суглинок	средний  суглинок
	балл	5	4	4	3	4
Мощность гумусового горизонта, см	знач.	0–33	0–10	0–12	0–18	0–11
	балл	4	2	3	3	3
Содержание гумуса в слое 0…20 см, %	знач.	2,0–4,0	2,0–4,0	4,1–6,0	2,0–4,0	2,0–4,0
	балл	2	2	3	2	2
Кислотность почвенного раствора (pH)	знач.	нейтральная	слабокислая	нейтральная	слабокислая	нейтральная
	балл	5	3	5	3	5
Степень засоленности, %	знач.	не засолены	не засолены	не засолены	не засолены	не засолены
	балл	5	5	5	5	5
Емкость катионного обмена, мг экв./100 г	знач.	22	22	22	22	22
	балл	3	3	3	3	3
Тип водного режима	знач.	промывной	промывной	промывной	промывной	промывной
	балл	5	5	5	5	5
Покрытая растительностью площадь, %	знач.	20–40	61–90	более 90	более 90	61–90
	балл	2	4	5	5	4

 

В ходе исследований отмечается антропогенное воздействие на природные комплексы на уровне местностей изучаемого района. Оно включает сельскохозяйственное, лесоэксплуатационное и горнопромышленное воздействие. Интенсивные вырубки в ходе освоения склоновых ландшафтов в конце XIX и начале XX вв., возведение объектов гражданского строительства, сельскохозяйственное освоение прирусловых урочищ привело к уничтожению древесного покрова и замещению остепненными участками.

Анализ имеющегося древостоя приграничных среднегорных территорий показал снижение процентного соотношения дубовых насаждений и увеличение площадей липы, не оптимальные условия для ареалов восточно-европейских широколиственных лесов из дуба. Для смежных территорий были определены условия высокой интенсивности естественной трансформации ландшафтов и их слабой устойчивости [5, с. 97]. Среди рассматриваемых факторов трансформации природных комплексов на склонах необходимо отметить общую климатическую причину, которая не может не оказывать влияние на состояние отдельных компонентов нормирования и лишь усиливает продвижение широколиственных темнохвойных лесов на восток.

Степень устойчивости склоновых природных комплексов г. Ягодная и г. Рудничная на основе нормирования и суммирования показывает, что большую роль в вариации степени устойчивости играют геохимическое положение на элементе склона, степень дренированности почвенного покрова, механический состав почв, мощность гумусового горизонта и проективное покрытие растительностью.

Вторая и четвертая точки характеризуются как относительно устойчивые к внешнему воздействию, при этом имеют почвы с промывным типом водного режима, слабокислой средой, достаточно дренированными грунтами, определяющими почвенные разности с низким содержанием гумуса.

К категории весьма слабоустойчивых была отнесена первая точка, поскольку аккумулятивное положение на склоне, с низкой степенью проективного покрытия, весьма тяжелым механическим составом и слабой дренированностью почвенного покрова указывает на слабую потенциальную устойчивость природного комплекса, может приводить к более интенсивной эрозии и полному сведению травянистого покрова нижних частях склонов.

Выводы

Таким образом, в ходе проведенных исследований и оценки устойчивости природных комплексов на уровне местности в пределах Миньярского физико-географического района было выявлено, что в пределах профилируемых склонов наблюдаются однородные условия микроклиматических параметров и орографических характеристик. Они являются стабильными для системы и обеспечивают фоновую устойчивость. Геоморфолого-геохимические характеристики склоновых комплексов принадлежат к относительно стабильным. Однако в условия низкогорного рельефа оказывают решающее влияние на степень устойчивости всех склоновых комплексов. Почвенно-растительные условия относятся к наиболее динамическим характеристикам, отражают все трансформации в ландшафте и рассматриваются как основа для первичного анализа на устойчивость.

Выделены относительно устойчивые природные комплексы, занимающие элювиальное положение и имеющие сравнительно благоприятный термический и гидротермический режим. Также определены слабоустойчивые природные комплексы на малоразвитых почвах, при промывном типе водного режима. Они требуют особого режима природопользования и дополнительной изученности при рекультивации, поскольку вынос вещества с этой территории за пределы катены будет интенсивнее.

Достаточно разнородная ситуация на изучаемых склонах позволяет усреднить рекомендации для оптимизации природопользования. Необходимо сохранить имеющиеся лесные ассоциации и увеличить площадь восстановления дубравы, проводить террасирование с учетом экологических особенностей почвенного покрова, запретить распашку склонов, производить сплошное залужение низинных участков. В зонах активной эрозии закреплять склоны древесно-кустарниковой растительностью, обеспечивая перехват скатывающегося грубообломочного материала. Предложенные мероприятия позволят оптимизировать природопользование в пределах склоновых природных комплексов, а также повысить устойчивость местностей горы Ягодная и Рудничная, что в свою очередь сыграет положительную роль в эколого-ландшафтном балансе территории.

About the authors

Irina N. Likhodumova

South Ural State Humanitarian Pedagogical University

Email: likhodumovain@cspu.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Geography and Geography Teaching Methods Department

Russian Federation, Chelyabinsk

Maria V. Panina

South Ural State Humanitarian Pedagogical University

Author for correspondence.
Email: panina80@mail.ru

candidate of geographical sciences, associate professor of Geography and Geography Teaching Methods Department

Russian Federation, Chelyabinsk

Alexander V. Malaev

South Ural State Humanitarian Pedagogical University

Email: malaevav@cspu.ru

candidate of geographical sciences, associate professor, head of Geography and Geography Teaching Methods Department

Russian Federation, Chelyabinsk

References

Supplementary files