Анализ современного состояния экологических проблем хвойных лесов России с применением ГИС технологий

    По  количеству получаемых тепла и влаги  зона лесостепи весьма благоприятна для возделывания самых разнообразных  зерновых и технических культур  умеренного пояса. Неблагоприятная  для земледелия черта лесостепного климата состоит в неустойчивости увлажнения. Влажные годы в лесостепи чередуются с засушливыми. Например, в Воронеже за 46-летний период наблюдений при средней годовой сумме осадков 501 мм максимальная поднималась до 801 мм, а минимальная падала до 263 мм. В сухие годы растительность лесостепной зоны страдает от недостатка влаги. Такие годы повторяются сравнительно часто. В Воронеже за 58 лет 14 было с засухой, в Саратове за 60-летний период наблюдений – 33 года засушливых.

    В теплую половину года в лесостепи  время от времени дуют горячие  и сухие ветры – суховеи. Эти  ветры особенно опасны для культурной растительности. Здесь возникает  необходимость проведения специальных агротехнических мероприятий по борьбе с засухами и суховеями. Главнейшие из них в условиях лесостепи состоят в снегозадержании и посадке полезащитных лесных полос.[10]

    Относительно  высокое испарение вместе с некоторым  уменьшением атмосферных осадков по сравнению с тайгой и хвойно-широколиственными лесами ведет к снижению в зоне поверхностного стока. Величина его за год колеблется от 50-100 мм и несколько более в европейской лесостепи до 25 мм в лесостепи Западной Сибири. По этой причине водность рек здесь намного ниже водности рек тайги и смешанных лесов.

Глава 2. Понятие о геоинформационном мониторинге

2.1 Методика геоинформационного  мониторинга 

     ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные об антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам.

     С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения  от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.[3]

    Особое  внимание при проведении геоинформационного мониторинга должно быть уделено  оценке текущего состояния объектов, оказывающих непосредственное влияние на здоровье населения и на инфраструктуру наблюдаемых территорий. Проводимые наблюдения должны описывать природные, градостроительные, социально-экономические, демографические и медицинские процессы, происходящие на исследуемых территориях. Они должны учитывать множество факторов, связанных с динамикой изменения их инфраструктуры. Их интеграция с социально-экономическими моделями развития территорий позволяет выработать стратегии устойчивого развития городских экосистем, как в рамках отдельных регионов, так и в рамках всего государства в целом.

    Разрабатываемый ГИС-проект позволяет автоматизировать процессы обработки и анализа  статистических данных, иллюстрирующих электоральную картину региона. В технологическом отношении процедура разработки подобных проектов достаточно сложна и занимает немало времени. Она состоит из следующих основных этапов:

    Подготовка  цифровой картографической основы.[7]

    Подготовка  статистических материалов (формирование атрибутивной базы данных и проведение необходимых расчетов). Геоинформационные системы предлагают механизмы управления базами данных, которые значительно упрощают процедуру анализа и сокращают временные затраты.

    Визуализация  результатов, формирование отчетов (т.е. построение тематических карт и графиков) и их анализ.

    Причем  этапы 2 и 3 могут повторяться при  появлении новой статистики и/или  необходимости в проведении новых  расчетов.

    В конечном итоге, геоинформационный  анализ позволяет «видеть» ситуацию по стране в целом и по отдельным регионам в частности, обнаруживать явно выделяющиеся своими электоральными особенностями группы территорий, находить «аномалии» в итогах голосований

    Начиная с 1995 года, в России введена Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ). Основными задачами системы является формирование специализированных банков данных, оценка и прогноз состояния объектов и антропогенных воздействий на них, выработка управляющих решений по устойчивому развитию среды. Представлена на рис. 1.  

    Рис.1.Схема организации ЕГСЭМ.

    Основными компонентами этой системы являются:

    подсистема  мониторинга источников антропогенного воздействия;

    подсистема  мониторинга абиотической компоненты окружающей среды;

    подсистема  мониторинга биотической компоненты окружающей среды;

    экологические информационные системы.

    Подсистема  мониторинга источников антропогенного воздействия на окружающую природную  среду включает посты и станции  наблюдения за источниками выбросов и сбросов, которые выполняют  организации и предприятия, содержащие источник загрязнения. Следует отметить, что организационное и производственное обеспечение контроля выбросов не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к автоматизированным информационно-измерительным системам и контроль осуществляется на основе инструментально-лабораторных методов анализа.

    Подсистему  мониторинга загрязнения абиотической составляющей ведет Государственная  служба наблюдения за загрязнением окружающей природной среды. Эта подсистема состоит из центральной и 10 региональных лабораторий, а также экспедиционных обследований. В рамках этой подсистемы наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха ведутся в 284 городах на 664 постах, причем в 234 городах непосредственно подразделения Росгидромета. Режимные наблюдения за загрязнением поверхностных вод проводятся в 1928 пунктах, расположенных на 1363 водяных объектах, а морских вод на 500 станциях, расположенных на всех морях России. Подсистема мониторинга биоты находится в стадии разработки.

    Мониторинг  зеленых насаждений осуществляется на основе использования наблюдательных площадок, выбор которых выполняется на основе архитектурно-планировочных, ландшафтно-геохимических и экологических критериев.

Глава 3. Анализ современного состояния хвойных  лесов России

3.1 Экологические проблемы хвойных лесов 

    Леса  России представляют собой экологический  каркас биосферы не только нашей страны, но и всего северного полушария  планеты. 22 % площади лесов и 25 % древесных  запасов мира принадлежат России. В России леса занимают 69 % площади  суши. Поэтому обеспечение рационального, неистощительного использования лесных ресурсов, их охрана и воспроизводство - не только национальная, но и глобальная проблема, жизненно важная для всего человечества. Лесопромышленный комплекс России в 1997 г. объединял свыше 30 тыс. предприятий и обеспечивал 2,3 % общего валового внутреннего продукта, 3,6 % выпускаемой промышленной продукции, 10 % общего объема производства непродовольственных товаров и 4,1 % валовой выручки. Из-за непродуманной приватизации и отсутствия государственной поддержки в лесопромышленном комплексе страны за последние 10 лет произошел обвал. В наиболее освоенных регионах России, где имеются благоприятные природные условия для выращивания леса лесные ресурсы подорваны их неумеренной эксплуатацией в 30-70-е годы. В первую очередь были вырублены высокопродуктивные хвойные древостои, расположенные вблизи транспортных путей. Примерно на 50 млн. га в европейской части России произошла нежелательная смена пород, хвойные леса заместились мелколиственными. Стратегическая задача лесного хозяйства - восстановление коренных хвойных фитоценозов в соответствующих для них условиях произрастания. [19]

    К настоящему времени в России имеется 14 млн. га посаженных лесов, в основном на европейской части России, что составляет около 2 % покрытой лесом площади. Общий кризис, охвативший Россию, сказался и на лесовосстановительных работах - к 1997 г. лесовосстановительные работы сократились вдвое. Для повышения рентабельности лесного комплекса нужно увеличить объем экспорта и изменить его структуру. Выгоднее продавать пиломатериалы, целлюлозу, бумагу и картон, а не круглый лес. Необходимо восстановить мощности по лесопилению, которые были до 1990 г. В 1990 г. было экспортировано 15,7 млн. м3 пиломатериалов, в 1997 г. - 4,8 млн. м3. В настоящее время объем экспорта пиломатериалов составляет 23 % от их общего производства в России. Увеличение объемов экспорта, в первую очередь пиломатериалов, а также рост поставок отечественных пиломатериалов на внутренний рынок дают возможность, с учетом постоянно повышающейся цены на мировом рынке в среднем на 1,5-2,0 % в год, получить необходимые средства для подъема целлюлозно-бумажной и лесохимической промышленности, нуждающихся в реконструкции с использованием современных технологий и учетом экологических требований. Одной из стратегических задач подъема экономики России можно считать увеличение доли валовой внутренней продукции лесного комплекса как минимум в 3 раза. [9]

    Для обеспечения устойчивого развития лесного комплекса с сохранением глобального экологического значения лесов России необходимо повысить правовой статус органов управления лесами на региональном и федеральном уровнях. Всего в лесном хозяйстве занято 217,4 тыс. человек, т.е. на одного работающего приходится 55,0 тыс. га земель лесного фонда. Средняя месячная заработная плата работника лесного хозяйства, который трудится в тяжелых условиях, составила в 1998 г. всего 527 руб. При таком положении трудно рассчитывать на действенную работу лесной охраны. Сумма штрафов за лесонарушения в 1997 г. составила только 526,5 тыс. руб., или 0,098 % от затрат на лесное хозяйство из федерального бюджета.

    Велик вклад лесов России в мировой  процесс депонирования углерода и предотвращения нежелательных  последствий глобального потепления климата. В целом леса России поглощают ежегодно 262 млн. т углерода. Но эта величина может быть по крайней мере удвоена, если добиться равномерного распределения площади российских лесов по возрастным группам. Наибольшей депонирующей способностью обладают молодняки: в возрасте до 20 лет деревья дают 0,934 т/га в год, в возрасте от 20 до 40 лет - 1,611 т/га. С увеличением возраста деревьев депонирующая способность леса падает и в перестойных древостоях практически равна нулю. Резервы для увеличения количества депонируемого углерода очень велики. Это прежде всего оптимизация возрастной структуры лесов, когда будет достигнуто равномерное распределение по группам возраста. При этом молодняки в возрасте до 40 лет и средневозрастные леса будут занимать 60 % покрытой лесами площади (в настоящее время молодняки и средневозрастные хвойные, доминирующие в лесном фонде, занимают 39 %). Второй резерв - лесовосстановление и лесоразведение, в основном хвойными и твердолиственными (дуб, бук) породами, которые в большей мере поглощают углекислый газ. В целом объемы ежегодного депонирования углерода могут быть увеличены на 132 млн. т в год. Кроме того, увеличить объем депонирования углерода можно путем реконструкции малоценных редкостойных хвойных и лиственных древостоев и облесением нелесных.

    Современных хвойных растений насчитывается  около 600 видов [4]. К ним относятся  самые крупные в мире деревья  из родов Sequoia, Sequoiadendron, Pseudotsuga, Pinus. Большинство  видов хвойных – это вечнозеленые растения с игольчатой хвоей. Однако среди них есть деревья, которые на зиму сбрасывают листья (род Larix) и даже побеги (род Taxodium, Metasequoia). У многих хвойных имеются два типа побегов – удлиненные (ауксибласты) и укороченные (брахи-бласты). Семейство сосновые Pinacea является самым крупным семейством среди всех современных голосеменных. Его виды распространены в основном в северном полушарии. В России хвойные леса занимают 530.3 млн. га, которые ежегодно депонируют около 140 Мт углерода [3]. Основная роль в процессе депонирования углерода у дерева принадлежит листьям благодаря содержанию в них зеленых пигментов и способности фотосинтезировать. Однако хлорофиллоносные ткани, хотя и в меньшем объеме, содержатся и в других надземных органах. Участие этих тканей в продукционном процессе хвойных деревьев остается мало изученным.

    Из  литературы известно, что существующие у современных растений органы и  ткани имеют определенную филогенетическую общность. Лист, как специализированный орган растения, по имеющимся палеоботаническим  данным, вероятно, трансформировался из бокового выроста стебля (микрофиллия) или явился результатом слияния боковых ответвлений осевых органов (макрофиллия) у папоротниковидных (Pterophyta) еще в девоне–раннем карбоне. Поэтому стебли и листья можно считать гомологичными органами, различающимися между собой по их физиологической функции. Семенная чешуя макростробилов представителей рода Pinus также является видоизмененным побегом. В настоящее время мы можем сказать, что ткани и клеточные структуры, свойственные современным растениям, возникли очень рано и сохранились до наших дней. У палеоботаников нет полных данных, каким образом и из какого "источника" развивались ткани высших растений. Можно лишь предположить, что дифференцировались они из равноценных паренхимных тканей, из которых было построено тело Psylophyta.

    В ходе эволюции основной функцией листа  стала фотоассимиляция углекислоты, у осевых органов – механическая и транспортная, у микро- и макростробилов – репродуктивная. В результате этих процессов произошла дивергенция в морфолого-анатомическом строении органов растений и их тканей, в частности ассимилирующей паренхимы. Согласно нашим данным, у современных хвойных это выражено прежде всего в том, что в хвое, которая характеризуется наиболее интенсивным углекислотным газообменом с внешней средой, мезофилл отличается от ассимилирующих тканей стебля и ствола прежде всего более развитыми межклетниками и меньшим парциальным объемом клеточных оболочек. С усилением функции фотосинтеза по всей вероятности связано также увеличение в клетках мезофилла хвои числа хлоропластов, усложнение их гранальной структуры, повышение содержания пигментов. На начальной стадии формирования хвои и не листовых органов вне почки хлоропласты в них имеют сходную степень насыщенности тилакоидами. Однако, по мере дальнейшего роста различия в строении хлоропластов в разных органах дерева усиливаются. Поэтому в полностью сформированной хвое число тилакоидов на единицу площади среза хлоропласта в два-три раза выше, чем в других ассимилирующих органах . У сосны и пихты для макростробилов и коры ствола характерно 7-9, двухлетней хвои – 22-25 тилакоидов/мкм2 площади среза пластиды. [11]