Проблемы городских экосистем

1. Аридизация климата

2. Снижение продуктивности

3. Адаптивные механизмы

4. Устойчивость к стрессам

5. Пути спасения

Заключение

Источники

Городские экосистемы отличаются от всех видов внегородских (даже от т.н. «устойчивого хуторского ландшафта») не только предельной нарушенностью почвы и растительности, сильной обеднённостью фауны; в конце концов, даже климаксный бореальный или широколиственный лес есть мозаика пятен, представляющих собой нарушения на разных стадиях зарастания. Главное отличие в том, что в городе наблюдаются такие системные диспропорции, которые никогда не фиксируются в однотипных природных сообществах (с аналогичными почвенными условиями и растительностью).

1. Аридизация климата

Первая — это техногенная аридизация климата. Городские экосистемы — это не просто «острова» лесных, кустарниковых или травянистых биотопах, разделённые зданиями, сооружениями и коммуникациями. Город отличается тем, что растительные сообщества лесной зоны существуют в условиях, соответствующих положению на 200−300 км южнее, то есть зоне сухих степей и полупустынь.

Так, в исследованиях Э. Г. Коломыца с соавт. (2000) выявлена общая тенденция урботехногенной аридизации лесных экосистем (исследовали экосистемы двух полигонов в низменном Заречном районе Нижнего Новгорода: 1) лесопарковый массив «Стригинской Бор» с достаточно высокой рекреационной нагрузкой и слабым загрязнением природных сред; 2) Сормовский городской парк культуры и отдыха, испытывающий сильное геохимическое воздействие от окружающих его промышленных предприятий и автотранспортных магистралей и также подверженный рекреации. Эталоном для сравнения послужил сосново-лесной участок заповедника «Керженский», находящийся в 50 км к северо-востоку от Нижнего Новгорода (Низменное Заволжье) в аналогичных геолого-геоморфологических и биоклиматических условиях.).

Почвы Нижнего Новгорода по гидротермическому режиму и по однозначному сдвигу обменной кислотности в щелочную сторону приближаются к аридному (пустынно-степному) типу, в отличие от зональных дерново-подзолистых почв, что сопровождается их активным засолением. Совместное геофизическое и геохимическое техногенное воздействие вызывает общий кумулятивный эффект — экстразональное опустынивание природного комплекса. В первую половину лета температура почвы в Стригинском бору и Сормовском парке оказывается на 2−8°С выше, а влажность на 5−10% ниже, чем в Керженском заповеднике. Запасы влаги в метровом слое почвы оказались меньше в 1,5−3 раза — соответственно 60−100 мм и 40−160 мм по сравнению с 160- 220 мм.

В спонтанных условиях этот гидротермический сдвиг отвечает меридиональному смещению территории города к югу на 200−300 км — от смешанно-лесной зоны в зону лесостепи. Наиболее существенные гидротермические сдвиги (температуры почвы на 6−80С, влажности на 25−35%, запасов влаги в слое 1 м на 200−300 мм) свойственны трансаккумулятивным и аккумулятивным геотопам. Происходит пространственное выравнивание локальных гидротермических полей, при одновременном росте их неупорядоченности, мозаичности.

На примере почв Автозаводского городского парка удалось проследить не только тенденцию, но и скорость геохимических изменений лесных почв за 50-летний период (1939;1989 гг.). В конце 30-х годов, когда работа предприятий ГАЗ только начиналась, в парке не было нейтральных и слабощелочных почв. Спустя 50 лет они составляли уже более 10% от общего количества обработанных нами образцов. Сдвиг рН составил в среднем 2% в год.

Техногенное подщелачивание почв снижает подвижность различных химических элементов и, следовательно, уменьшает их токсичность [выступая механизмом устойчивости городской экосистемы — wolf_kitses]. Очевидно высокощелочная реакция почв промышленных территорий низинного Заречья (рНЈ7,5) является экологически положительным фактором, препятствующим миграции токсичных элементов (прежде всего, тяжелых металлов) по трофическим цепям. В гумусовых горизонтах повышается содержание обменных катионов, что усиливает буферные свойства почвы. В этом проявляется эффект отрицательной обратной связи в системе техника — природа, компенсирующей негативные для биоты процессы техногенеза.

2. Снижение продуктивности

Урботехногенная аридизация лесных экосистем отчетливо проявляется также в автотрофном биогенезе. Общая первичная продуктивность (Р) сосняков Керженского заповедника составляет 5,5−12,5 т/га в год, что лежит в диапазоне первичной продуктивности от средней тайги до луговых степей. В пределах города экстремальные значения Р падают в 4−5 раз, причем в отрицательных формах рельефа гораздо сильнее, чем в положительных. Поэтому разница в значениях продуктивности между типами МП существенно сглаживается. Происходит своего рода локальное выравнивание величин продукции лесных фитоценозов на фоне общего снижения интенсивности продукционного процесса.

Сосняки Стригинского бора и Сормовского парка производят ежегодно в среднем 2,5−3,7 т фитомассы, а во многих случаях эти цифры снижаются до 1,3−2,0 т. Столь низкую продуктивность в естественных условиях имеют экосистемы крайне северных и крайне южных природных зон умеренного пояса — кустарничковые тундры, сухие степи и эфемерно-кустарничковые пустыни, а также сфагновые болота. Таким образом, общая первичная продуктивность лесных экосистем смешанно-лесной зоны, находящихся под прессом урбанизации, снижается до пустынно-сухостепного уровня, что и составляет важнейший функциональный признак их антропогенного опустынивания".

3. Изменение характера растительности

Далее, лесные сообщества вне мегаполиса (уже сильно изменённые рекреацией и другими формами воздействия) организованы так, что характер растительности целиком определяется существующими формами рельефа (градиентами от водоразделов к пойме ручьёв и пр.), определяющими различия гидрологического режима и других условий среды вдоль соответствующих градиентов.

В городе эта зависимость растительности от форм рельефа и структуры ландшафта через гидрологию полностью разрушается, заменяясь зависимостью от антропогенных нарушений и антропогенного же «удобрения» территорий органикой, нитратами, фосфором, эти два фактора формируют градиенты, заменяющие ландшафтные.

Далее те же авторы: «сила влияния литогенной основы как исходного фактора природно-территориальной организации снижается почти в 2 раза. Не наблюдается сколько-нибудь однозначной приуроченности к формам микрорельефа и локальными типами влажности, температуры, морфологии почв, ценотических групп леса, мощности и массы лесной подстилки. Прямое влияние геоморфологических условий сохраняется лишь на типы биогеоценозов и их экологическими группами растительности, минуя параметры влажности почвы. Геоморфологический каркас в значительной мере теряет контроль над важнейшим функциональным параметром лесной экосистемы — увлажнением почв.

Температура почвы утрачивает свои свойства индикатора состояния лесной экосистемы. Она больше не зависит от литогенных условий и влажности почв. Режимы влажности и температуры почвенных горизонтов все больше зависят от структурных характеристик лесопаркового фитоценозов подверженных прямому антропогенному воздействию. Происходит определенное выравнивание контрастов гидротермического режима почв между различными элементами микрорельефа, а в Сормовском парке температуры почвы вообще не зависят от типа местоположения.

Одновременно в первый эшелон ландшафтных связей выходят ценотические группы лесных экосистем, которые наравне с факторами литогенной основы определяют всю систему межкомпонентных связей. Это вызвано глубокой антропогенной трансформацией напочвенного покрова в городских лесопарковых экосистемах: первоначальным олуговением травостоя и последующей заменой лесных и луговых видов сорной и рудеральной растительностью, которая оказывается почти не связанной с увлажнением почв. [То есть буферные свойства почвы в городах дополняются и компенсируются буферными свойствами увеличивающейся биомассы рудеральной растительности, тем более что при умеренном нарушении природных сообществ запасы фитомассы резко возрастают.

4. Адаптивные механизмы

Процесс техногенной трансформации природного комплекса не ограничивается «расшатыванием» его моносистемной структуры. Наряду с этим развиваются определенные адаптивные механизмы, способствующие его выживанию в урбанизированной среде. Выявлены два таких механизма. Первый связан с преобразованием естественных ценотических групп леса (боровой, таежной, дубравной и др.) в антропогенные (лесную, лесолуговую, луговую, сорно-рудеральную). Этот процесс наиболее ярко выражен в понижениях микрорельефа, где суммарный эффект загрязнения почвы максимален и где поэтому напочвенный покров трансформируется в наибольшей степени — до бурьянистой стадии. Развитие сорно-рудеральной растительности сопровождается весьма резким снижением видового разнообразия травостоя и столь же заметным увеличением зеленой массы и ее годичного прироста, что вызывает общий рост продуктивности и соответствующее повышение индекса упругой устойчивости лесного фитоценоза.

Второй адаптивный механизм носит почти повсеместный характер и связан с повышением функциональной роли растительных группировок под пологом леса. В экстремальных условиях общей деградации древостоев происходит смещение оптимума функционирования городской лесной экосистемы с верхнего (древесного) яруса на нижние ярусы — подрост, подлесок и напочвенный покров, где резко возрастает доля ежегодно возобновляемой зеленой массы, способствующей повышению устойчивости всей экосистемы к техногенному загрязнению. Именно такие фитоценотические параметры, как высота и обилие подроста, подлеска и травостоя, предотвращают полный распад моносистемной организации лесного природного комплекса, сохраняя в той или иной мере всю сеть межкомпонентных связей. То есть в условиях города преимущественно деградируют древесный и травянистый ярус, но усыхание, уменьшение жизенности видов-средообразователей во всех городских лесах компенсируется повышенным развитием деревьев 2-го яруса, вроде клёна, липы, и бурным развитием кустарников вроде свидины, пузыреплодника, жимолости лесной и пр.

Далее, городской климат существенно отличается от внегородского, в первую очередь высокой степенью загрязнённости твёрдыми частицами, дымом и пылью (поэтому в крупном городе выпадает существенно больше дождей, чем вне города, при большей сухости воздуха и меньшем содержании водяного пара — больше ядер кристаллизации носится). Они оказывают то же действие на растение, что песчаная буря в настоящей пустыне — секут нежные листья песчинками. Поэтому в крупных городах юга и даже средней полосы наши исконные виды деревьев и кустарников потихоньку вытесняются более южными видами с более ксероморфной структурой листа — кожисто-блестящей, опушённой и т. п. как-то защищённой от воздействия городских «самумов». Поскольку специфически городская конвекция воздуха от более тёплого центра, где «остров тепла», к более холодным окраинам, и от жилых кварталов к паркам и водоёмам создаёт постоянные ветры типа городских бризов, то проблема иссечения растений частицами очень существенная. В Европе, где степень урбанизации много выше нашей (урбанизированные районы сливаются, образуя мегалополисы с населением 20−50 млн. человек, и уже выражаются в масштабе карты, превосходя по размеру массивы природных ландшафтов — лесных, луговых или болотных) эта особенность городской атмосферы ведёт к направленной смене местной растительности в городах на более южные формы.

5. Устойчивость к стрессам

Далее, экосистемы Земли сильно различаются не только по продуктивности, но и по устойчивости к стрессам. Тропическая экосистема, например, функционирует почти как проточная система. Она содержит минимум почвенного гумуса, поскольку функционирует в наиболее благоприятных условиях среды и не нуждается в системе защиты своих ресурсов, находящихся в постоянном обороте. В степных экосистемах, регулярно испытывающих смену благоприятных и неблагоприятных условий среды, создана сложная система накопления и экономного расходования (дозирования) ресурсов жизнеобеспечения в виде некромассы, включающей запасы ветоши, опада, дернины и почвенного гумуса с его сложной фракционной структурой.

Дождевой тропический лес с его гигантской биомассой и высшей скоростью круговорота при воздействии негативных факторов может превратиться в пустынный ландшафт (Аравийская пустыня, железистые коры выветривания и т. п.). Степные экосистемы, накопившие огромные запасы гумуса, способны противостоять тысячелетним прямым воздействиям варварской агротехники и обеспечивать человека первичной биологической продукцией, соответствующего потребностям человека состава и качества. Благодаря сложному составу гумуса, его реакция на стрессы сдерживается масштабами характерного времени каждой фракции.

Современный город перерабатывает природные ресурсы в изделия и отходы. Изделия позволяют поддерживать высокую плотность популяции, а отходы создают ей ограничения. Если отходы превратить в изделия и ресурсы, они будут не ограничивать, а стимулировать рост численности популяции. Искусственные изделия — здания, сооружения, машины, механизмы, материалы, вещества, продукты, напитки — выполняют ту же роль, что и почвенный гумус в естественной экосистеме.

ПЭто такая же временная перегруппировка ресурсов, удобная для биоты. Каждое изделие служит определенный срок, после чего должно возвращаться в исходное состояние — в ресурсы. В природных экосистемах гумификация обязательно сопровождает минерализацию отмершей биомассы — некромассы, создает запасник вторичных ресурсов для оперативного использования автотрофной биотой. Многоступенчатая система синтеза фракций гумуса и их минерализации обеспечивает надежность функционирования экосистемы в многолетнем цикле даже при возникающем регулярно дефиците ресурсов. Гумификация и урбанизация по функциональной сути аналогичные процессы, своеобразные петли гистерезиса на кривой катаболизма, сдерживающие энтропию.

6. Пути спасения

Все природные системы (клетка, организм, экосистема, биосфера) имеют единый принцип действия — обмен вещества и энергии или метаболизм, который представляет собой способ поддержания жизни путем взаимодействия противоположных процессов: анаболизма и катаболизма. В биосфере функцию анаболизма — ассимиляции простых веществ в сложные — выполняет растительность, а функцию катаболизма — диссимиляции сложных органических веществ в простые минеральные — выполняет почва. Согласование этих процессов осуществляется в процессе некроболизма — запрограммированного генетически процесса умирания биоты, в результате которого происходит передача жизненно важных метаболитов в продолжающие функционировать органы и организмы (потомство).

Процесс анаболизма состоит из двух противоположных процессов: фотосинтеза и дыхания. Процесс катаболизма — из минерализации и гумификации. Это значит, что в процессе анаболизма, часть синтезированного органического вещества используется для осуществления функций автотрофов, а в процессе катаболизма часть минерализованного вещества используется для вторичного синтеза почвенного гумуса. Почвенный гумус выполняет в экосистеме несколько функций. Он является одновременно накопителем невостребованных растениями минеральных элементов, хранителем стратегического запаса элементов и дозатором минеральных элементов, регламентирующим их передачу фитоценозу.

Биота экосистемы по экологической специализации делится на три взаимно уравновешенные группы: продуценты, консументы, редуценты. Экологический кризис обусловлен тем, что человек преодолел естественный лимит численности популяции и нарушил сложившееся равновесие, создав искусственные преимущества для консументов за счет подавления продуцентов и редуцентов. Поэтому выход из созданного человеком экологического кризиса надо искать либо в сокращении численности, активности и массы консументов, либо в искусственном стимулировании продуцентов и редуцентов. Иными словами, если человек не найдет способа сокращения численности населения Земли, он должен взять на себя выполнение функций продуцентов и редуцентов.

Современное земледелие и растениеводство является примитивным проявлением функции продуцента. Надо изменить масштабы и принципы этой деятельности. Работа в этом направлении ведется непрерывно. Совершенствуется агротехника, мелиорация, селекция, семеноводство. Функции редуцента человеком освоены гораздо слабее и проявляются в избирательной утилизации отходов жизнедеятельности. Но именно здесь заложены причины современного экологического кризиса — перепроизводство отходов, с которыми не справляется природная гетеротрофная биота.

В биосфере продуценты синтезируют первичную биологическую продукцию, консументы — вторичную, а человек создал новый класс биологической продукции — третичную, которая включает здания, сооружения, машины, механизмы, искусственные материалы, вещества, произведения искусства, памятники культуры. Первичная и вторичная биопродукция по завершении жизненного цикла поступает в распоряжение редуцентов и подвергается рециклированию до исходных элементов, которые направляются в новый цикл анаболизма. Третичная продукция постоянно накапливается в биосфере, нарушая цикл круговорота, поскольку природные редуценты не справляются с большой массой вещества неестественного состава. Кроме этого, неутилизированная масса третичной продукции оказывает негативное влияние на функции естественных продуцентов и редуцентов.

Город, как ядро урбанизированной системы, должен выполнять функцию катаболизма подобную той, которую почва выполняет в природной экосистеме. Пока он является накопителем и хранителем запасов вещества, необходимого для обеспечения анаболизма или синтеза первичной биологической продукции — фитомассы. Искусственный тромб круговорота вещества или цикла метаболизма зарождается и накапливается именно в этом звене. Для его рассасывания нужна региональная система перегруппировки вещества и передачи его в функциональный блок анаболизма — окружающие город естественные и аграрные экосистемы. Для этого у города есть все условия: квалифицированные кадры, современные технологии и технические средства, максимальная концентрация массы третичной продукции. Надо перенять у естественной почвы механизм функционирования и на его основе построить хозяйственный цикл города.

В природной экосистеме гармония между почвой и растительностью достигается тем, что они адекватно реагируют на колебания гидротермических условий. Почва регулярно поставляет фитоценозу нужное ему количество минеральных элементов, получая взамен отмершую биомассу. Согласованность достигается за счет сложного многофракционного состава гумуса, каждая фракция которого содержит разное количество зольных элементов, связанных углеводородной матрицей разного состава и прочности. В конкретных гидротермических условиях активизируется определенная микрофлора, разлагающая определенные фракции. В результате высвобождается определенное количество минеральных газов, солей и коллоидов.

Несогласованность, обусловленная разной инерционностью реагирования почвы и фитоценоза на изменения гидротермических условий, а также автономной реакцией фитоценоза на свет, а педоценоза на кислород, компенсируется каждым из компонентов экосистемы по-своему. В том случае, если почва выделяет больше минеральных элементов, чем требуется фитоценозу в данный момент, их избыток реагирует со свободными радикалами разлагающейся некромассы, образуя специфические для почвы гумусовые вещества и временно консервируются. Если же фитоценозу требуется больше минеральных элементов, чем выделено в данный момент почвой, растения сами провоцируют прикорневую микрофлору корневыми выделениями, а последняя минерализует гумус и устраняет или смягчает дефицит.

Принцип работы этого природного механизма надо воспроизвести в городской агломерации. Всю массу поступающего в город вещества можно отождествить с природным опадом, поступающим в блок катаболизма. В результате утраты самых подвижных фракций он через короткое время превращается в подстилку. Дальнейшая деструкция подстилки сопровождается вторичным синтезом новообразованных гумусовых веществ. Каждая фаза деструкции выделяет определенное количество минеральных элементов и консервирует остальное в форме новых более плотных фракций с более высокой концентрацией зольных элементов. Последняя, наиболее плотная фракция гуминов освобождается от углеводородной и зольной составляющих и выпадает в осадок в форме вторичных и первичных минералов. Так образуются шлаки экосистемыостатки вещества, не востребованные фитоценозом и не вынесенные за пределы экосистемы водными и воздушными потоками.

В городе все отработавшие машины, механизмы, материалы, вещества, продукты, промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы (аналог природного опада) должны превратиться в единую по назначению субстанцию — в исходное сырье для вторичной переработки (аналог лесной подстилки). Далее должен начаться процесс ступенчатого уплотнения вещества вследствие потерь наиболее легких для утилизации фракций (аналог гумификации). Оставшаяся после извлечения всех полезных для нового цикла анаболизма элементов часть вещества формирует шлаки, выпадающие в осадок, используемый для закладки фундаментов новых зданий и сооружений, линий коммуникаций и захоронения.

В природной экосистеме выход вещества метаболизма в шлаки не превышает 1% общей массы экосистемы. По сравнению с ней урбанизированная экосистема является проточной, где возврат ресурсов не выше 10% и дисбаланс круговорота составляет около 90%. Если мы сумеем снизить дисбаланс хотя бы до 20%, можно быть уверенным в преодолении экологического кризиса. Только после этого можно будет говорить о переходе биосферы в ноосферу. Объективным признаком перехода биосферы в ноосферу должен стать управляемый гомеостаз биосферы, когда человек с помощью разума и созданной им техники сможет взять на себя дополнительные функции продуцента и редуцента, чтобы соотнести их с прогрессирующими функциями консумента".

Заключение

Город — наиболее комфортная экологическая ниша, снабжающая одновременно большое число людей ресурсами жизнеобеспечения, выдерживающая сверхвысокую плотность популяции с помощью современных технологий и технических средств. Однако устойчивость такой системы к стрессам минимальна. Для ее разрушения достаточно усилий одного террориста или серьезной аварии энергосистем. Жизнеобеспечение сельского жителя менее комфортно, зато более надежно. Разрушить его гораздо сложнее. Всегда найдутся запасные варианты защиты.

Заложенное в человеке стремление к комфорту является двигателем прогресса, стимулирующим переход сельского населения в городское. Эта тенденция, в пределе, создает угрозу надежности функционирования урбанизированной системы. Если все человечество станет городским, то угроза его исчезновения от случайной аварии станет актуальной. Поэтому расчеты альтернативных вариантов будущего расселения человека должны учитывать и эту тенденцию. Можно рассматривать два крайних варианта: а) сосредоточить население в мегаполисах — островах урбанизации среди моря естественных и аграрных экосистем; б) рассредоточить людей равномерно по всей поверхности планеты в мелких хуторах и поселках.

Более предпочтителен первый вариант в сочетании со вторым. Будущее поселение землян нам представляется как мегаполис, окруженный роем мелких поселений-саттелитов, погруженный в океан естественно-аграрных экосистем. Однако надо учитывать, что ядро урбанизации — мегаполис может функционировать только при наличии надежной многоступенчатой системы защиты его функций от всевозможных стрессов и сбоев.

Источники

1. Э. Г. Коломыц, А. С. Керженцев, О. В. Глебова, 2000. Механизмы трансформации лесных экосистем в высокоурбанизированной среде// Экополис и устойчивое развитие города. М.: изд-во РАМН.

2. Жигарев И. А., 2002. Лесные биологические сообщества в условиях рекреационных нарушений// Антропогенная динамика экосистем (ред. Н.М.Чернова). Научные труды МНЭПУ, серия «Реймерсовские чтения». М.: изд-во МНЭПУ.

3. http://www.biosciense.ru

4. http://www.edu-zone.net

5. http://www.sconline.ru