Оптимизация экологической устойчивости агроландшафта

Министерство  сельского хозяйства Российской  Федерации

ФГОУ  ВПО «Саратовский ГАУ»

Кафедра экологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

По  дисциплине «Инженерная экология» 

На  тему: «Оптимизация экологической устойчивости агроландшафта»

Код карты 08

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка 3 курса

группы ЗК 33

Проверил:

Даулетов  М.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Саратов 2012

 

 

Оглавление

Введение.................................................................................................2

1 .Структура  агроландшафта и критерии оценки  его устойчивости...................... 5

1.1 Структура  агроландшафта.......................................................................5

1.2 Оценка устойчивости агроландшафта.................................................... 6

1.3 Принципы  устройства агроландшафта......................................................8

2. Оценка устойчивости  изучаемого агроландшафта...................................... 12

2.1 Расчёт  индекса экотонизации............................................................... .12

2.2 Расчёт коэффициента экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ1)......... 13

2.3 Расчёт  коэффициента экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ2)..........14

2.4 Расчёт  индекса эрозионной расчленённости  территории..............................16

2.5 Расчёт процента защищённости пашни защитными лесными насаждениями....17

2.6 Определение  степени распаханности территории.......................................18

2.7 Расчёт  индекса антропогенной преобразованности  (по Гофману)...................19

2.8 Расчёт  индекса экологического влияния лесополос и сенокосов на окружающие угодья.................................................................................................. 21

2.9 Расчёт коэффициента  мозаичности...........................................................21

3. Проектирование  мероприятий по экологической  оптимизации агроландшафта...22

Заключение............................................................................................. 27

Список использованной литературы............................................................28

Приложение……………………………………………………………………………29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Ландшафт можно кратко определить как генетически единую геосистему, однородную по зональным  и азональным признакам и заключающую  в себе специфический набор сопряженных локальных геосистем.

Так, согласно Н.А. Солнцеву, для обособления самостоятельного ландшафта необходимы следующие  основные условия:

1) территория, на которой  формируется ландшафт, должна иметь  однородный геологический фундамент; 

2) после образования фундамента последующая история развития ландшафта на всем его пространстве должна была протекать одинаково (в единый ландшафт, например, нельзя объединять два участка, из которых один покрывался ледником, а другой нет, или один подвергался морской трансгрессии, а другой оставался вне ее);

3) климат одинаков  на всем пространстве ландшафта  и при любых сменах климатических  условий он остается однообразным (внутри ландшафта наблюдается  лишь изменение местных климатов - по урочищам и микроклиматов  - по фациям).

Внимание ландшафтоведов давно привлекает вопрос об основной ступени, или единице, в иерархии природных территориальных комплексов (геосистем). Хотя отдельные специалисты  отрицали необходимость подобной "узловой" категории, опыт исследовательской работы и практической деятельности ландшафтоведов свидетельствует о реальности основной единицы и об ее важном значении для упорядочения как разнообразных фактов, относящихся к ландшафт сведению, так и его теоретических основ. Такой единицей и служит ландшафт, занимающий узловое положение на стыке геосистем реальной и локальной размерностей.

А.А. Григорьеву принадлежит  мысль о том, что ландшафт - это  наименьшая территориальная единица, сохраняющая все типичные для  данной зоны, области и вообще более  крупной, чем ландшафт, региональной единицы, черты строения географической среды. С другой стороны, как отметил В.Б. Сочава, отдельные урочища или другие локальные геосистемы не дают полного представления о местной структуре географической среды и в силу этого не могут рассматриваться как основные таксономические единицы ландшафтной иерархии. Лишь все урочища или фации, взятые в совокупности, в характерных территориальных сочетаниях, площадных соотношениях и взаимных связях, т.е. как единый ландшафт, создают целостное представление о физико-географической специфике той или иной территории.

Изучение локальных  геосистем как таковых, вне ландшафта  как целого имеет мало смысла, ибо  они значительно более открытые системы, чем ландшафт, и существуют лишь как его части во взаимодействии с другими, сопряженными локальными геосистемами.

 

 

1. Структура агроландшафта  и критерии оценки его устойчивости

1.1. Структура агроландшафта

 

Структура агроландшафта (от лат. structura - строение, расположение, порядок) - совокупность устойчивых связей ландшафта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе. Представление о структуре агроландшафта включает три аспекта: взаимное расположение составных частей, внутренние системообразующие связи и упорядоченность смены его состояний во времени. Морфологическая структура подразумевает выделение внутри ландшафта более простых геосистем или природных территориальных комплексов: фаций, урочищ, местностей. Антропогенные ландшафты с преобладанием в их биотической части сообществ живых организмов, искусственно сформированных человеком и заменивших естественные фито и зооценозы на большей части территории - это агроландшафты. Однако единство геологического фундамента, типа рельефа и климата определяет генетическое единство самого агроландшафта, а сам процесс развития агроландшафта происходит при одинаковых внешних условиях. Отсюда следует, что разнообразие его морфологических частей не означает неупорядоченности этого разнообразия. Напротив, набор фаций, урочищ и местностей каждого конкретного агроландшафта, расположенных в определенном порядке, закономерен и специфичен. Поэтому понятие «однородность» агроландшафта диалектически сочетается с представлением о его разнородности.

Агроландшафт — природно-территориальный  комплекс, естественная растительность которого на подавляющей его части заменена агроценозами. Агроценозы, как и любые природные экосистемы, обладают определенным составом организмов (культурные растения, сорняки, насекомые, дождевые черви, мышевидные грызуны и др.) и определенными взаимоотношениями между живыми организмами и условиями среды.

Агроландшафты, будучи плодом сотворчества человека и природы, выступают  как природно-антропогенные образования. Их структура и функционирование, хотя и базируется на природных началах, целенаправленно трансформированы человеком. Они должны находиться под его контролем и в определенной мере управляются им. Современный агроландшафт - это не просто преобразованный (модифицированный) природно-территориальный комплекс, а многокомпонентное образование со специфическими природно-хозяйственным генезисом, фитоценотическим обликом, экологической ситуацией.

 

1.2.      Оценка устойчивости агроландшафта

 

 С экологической точки зрения современный ландшафт - это целостная система взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов. К вопросам первоочередной важности относится оценка устойчивости современного ландшафта. Понятие «устойчивость», по отношению к ландшафту можно рассматривать, как способность сохранять свои структуру и функции при внешних воздействиях.

         Основой комплексной характеристики и системной оценки ландшафтной неоднородности и изменчивости в процессе сельскохозяйственного использования служат материалы количественного и качественного анализа состояния агроэкосистем. Агроэкосистемы это антропогенные (т.е. созданные человеком) экосистемы. Человек определяет их структуру и продуктивность: он распахивает часть земель и высевает сельскохозяйственные культуры, создает сенокосы и пастбища на месте лесов, разводит сельскохозяйственных животных.

Устойчивость - способность  системы сохранять свои параметры  при воздействии или возвращаться в прежнее состояние после  нарушения структуры. Ландшафт, как  любая геосистема, обладает устойчивостью  в допустимых пределах, которые пока еще не установлены, а механизм устойчивости полностью еще не изучен. Устойчивость не статическое состояние системы, а колебания вокруг некоторого среднего состояния. Чем шире природный диапазон состояний ландшафта, тем меньше вероятность необратимой трансформации после возмущающих воздействий.

Аномальным, разрушающим  воздействиям противостоят внутренние механизмы саморегулирования ландшафта, в результате эффект внешних воздействий  ослабляется, поглощается или гасится.

Важнейшим стабилизирующим  фактором в саморегулировании ландшафтов является биота. Она легко приспосабливается к различным условиям, мобильна и легко восстанавливается. Интенсивные биологические круговороты и биологическая продуктивность  одно из главных условий устойчивости ландшафтов. Растительный покров поддерживает гравитационное равновесие в ландшафте, препятствует денудации. В механизме саморегулирования ландшафта биоте принадлежит ведущая роль.

Любой ландшафт в процессе своего развития подвергается воздействиям, и его устойчивость имеет свои пределы. Порог устойчивости, выраженный через сохранение ландшафтом своих параметров и свойств, и критические величины воздействий выясняют в каждом конкретном случае. Прежде всего это высокая организованность, интенсивное функционирование и сбалансированность функций геосистем, включая биологическую продуктивность и возобновимость растительного покрова. Эти качества определяются оптимальным соотношением тепла и влаги и выражаются развитостью почвенного покрова, а в конечном итоге, плодородием почв.

Рассматривая вопросы  устойчивости и оптимизации ландшафтов, очень важно располагать системой количественных оценок и характеристик изучаемых процессов. Степень экологической устойчивости ландшафта можно оценивать с помощью коэффициента экологической стабилизации (КЭСЛ), интегрирующего качественные и количественные характеристики абиотических и биотических элементов ландшафта.

        

3. Принципы устройства агроландшафта

 

         Под оптимальным понимают ландшафт, структуры и функции которого максимально соответствуют возможностям и потребностям нормального сбалансированного развития отдельных его компонентов или определенным целям его использования. В соответствии с этим оптимизация ландшафта - это комплекс мероприятий по сохранению или модификации существующих и формированию новых связей между различными составляющими ландшафта в целях его рационального использования, сохранения полезных свойств и предупреждения их возможной утраты, установление максимально полного соответствия природного потенциала ландшафта социально-экономическим функциям, задаваемым ему человеком. В оптимизации техногенных ландшафтов главное место занимает целенаправленное восстановление или реконструкция природно-техногенных комплексов, обеспечивающих возобновление и повышение их продуктивности, природоохранной, хозяйственной, санитарно-оздоровительной и эстетической ценности.

         Оптимизация пространственной структуры агроландшафтов предполагает определенное соотношение площадей лесных, луговых и других угодий и пашни - с одной стороны, и правильное размещение их по элементам рельефа - с другой.

         Схема предопределяет системный подход к оптимизации параметров лимитирующих факторов посредством агрохимических, физико-механических и биологических методов воздействия в целях создания агроэкологической обстановки, отвечающей требованиям возделываемых культур и охраны окружающей среды.

         Структура схемы: исходное плодородие агроландшафта; регулируемые показатели плодородия почв; оптимальные показатели плодородия почв; комплекс мероприятий, обеспечивающих регулирование показателей плодородия почв, включающие методы, способы и приёмы регулирования в ландшафтно-мелиоратиных системах земледелия. В качестве способов оптимизации регулируемых показателей плодородия почв выступают севообороты, удобрения, обработка почвы, мелиорация. Приёмы оптимизации включают: технику и сроки внесения удобрений, приёмы возделывания культур, регулирования поверхностного стока, понижения уровня грунтовых вод, повышения инфильтрации почв. Необходимо учитывать при оптимизации регулируемых показателей в системе мероприятий по повышению плодородия почв при их сельскохозяйственном использовании: гумусное состояние, водно-воздушный режим и водно-физические свойства, кислотно-основные свойства почвы, пищевой режим.

         Агроэкосистемы отличаются от экосистем неустойчивым равновесием. В естественных условиях смена структуры экосистем (например, зарастание озер, заболачивание лесов и др.) происходит постепенно. При неуправляемом же вмешательстве сельскохозяйственного производства изменения могут проходить быстро и приводить к снижению устойчивости агроландшафтов и их деградации. Хозяйственная деятельность влияет и на перестройку биоценозов в целом. Причем в отдельных регионах нарушение равновесия между материнской породой, стоком и почвой вызывает необратимые отрицательные изменения в ландшафтах.

         При интенсивном сельскохозяйственном использовании земельного фонда, когда равновесие в агроэкосистемах поддерживается искусственно, необходимо знать и учитывать структуру агроландшафтов, их системообразующие свойства. Остовным «целевым свойством» ландшафта является экологический потенциал - интегральная предпосылка его использования. Он характеризует способность ландшафта соответствовать требованиям, предъявляемым ему человеком. Организация экосистем должна быть дифференцирована по типам и видам ландшафтов, основываться на зонально-провинциальных особенностях, типологических и индивидуальных свойствах.

         Важно, чтобы регуляция намеченных хозяйственных нагрузок на агроэкосистемы осуществлялась в соответствии с их природной структурой. Необходимо сопоставлять существенные функциональные структуры ландшафта и его потенциал, определять целесообразные направления рационального его использования.

         Ландшафтное прогнозирование предполагает функциональное разграничение ландшафтных образований (процесс пространственного дифференцирования деятельности человека, придающей структурным участкам определенные функции). Например, в агроландшафте главной должна быть функция охраны и воспроизводства потенциала почвенного плодородия, в зависимости, от которой решаются вопросы размещения сельскохозяйственного производства, формирования инфраструктуры и др.

Ландшафтно-экологический  анализ агроландшафта должен основываться на знании его морфологических компонентов (типологическое картографирование) и региональных различий (районирование), а также на учете многочисленных взаимосвязей (баланс веществ и энергии). Особенно важно, чтобы хозяйственные нагрузки на ландшафт планировались в соответствии с его природной структурой. В противном случае несоответствие сложившейся специализации сельского хозяйства потенциальным ресурсным возможностям ландшафта приводит к возникновению и развитию негативных процессов, к нарушению природно-антропогенного равновесия, особенно в ландшафтах с неустойчивым природным равновесием.

С позиций системного подхода, учитывающего особенности  формирования и функционирования ландшафтов, представляются возможными следующие  предпосылки оптимизации агроландшафтов.

         Во-первых, формирование и поддержание на оптимальном уровне структуры и функционирования земельных угодий, обеспечивающих необходимое разнообразие и устойчивость агроландшафта.

         Во-вторых, экологическая оптимизация агроландшафтов должна обеспечивать восстановление и сохранение местного генетического фонда живой природы, а также восстановление и сохранение естественных ценозов.

         В-третьих, восстановление и сохранение обводненности территории, которая должна соответствовать естественному фону данного ландшафтного образования.        

         В-четвертых, экологическая оптимизация агроландшафтов обеспечивается целенаправленным развитием сети охраняемых природных территорий различных рангов и статуса (от микрозаказников до заповедников).

 

 

 

 

 

2. Оценка устойчивости изучаемого агроландшафта

2.1  Расчёт индекса экотонизации

 

         Для экологической оценки устойчивости состояния ландшафта и его использования служит определенный показатель-индекс видового разнообразия (индекс экотонизации).

       Y = ∑ Li/S

Y - индекс видового разнообразия;

Li - длина экотона, м;

S - площадь территории агроландшафта, га

         Экотон - переходная полоса между визуально различимыми сообществами. Обычно экотоны   населены   организмами  значительно   гуще,   чем   сами   контактирующие сообщества.

Оценка индекса видового разнообразия:

менее 5 м/га	очень слабая экотонизация
5-10 м/га	слабая экотонизация
10-20 м/га	средняя экотонизация
более 20 м/га	высокая экотонизация

                                       Таблица 1

Определение плотности экотона (биологических рубежей в агроландшафте)

№	Название экотона	Длина, м
1	Опушки лесных полос  на пашне	15700
2	Опушки прибалочных  и приовражных полос	13125
3	Опушки лесов	10000
4	Границы пашни с другими  угодьями	82375
5	Границы садов с другими угодьями	4250
6	Обочины дорог	63925
7	Береговые полосы рек  и водоёмов	23125
8	Границы степной и  травянистой растительности с другими  угодьями	698
9	Границы пастбищ с  другими угодьями	-
10	Границы сенокосов с  другими угодьями	19800
11	Границы кустарников  с другими угодьями	5300
12	Площадь под застройками	4550
Итого		242848

 

Li = 242848 м

S = 6255 га

               Y=242848 / 6255  = 38.82 м/га

Вывод: Индекс видового разнообразия оказался равным 38,82 м/га, что говорит о высокой экотонизации и стабильном ландшафте.

 

2.2 Расчёт коэффициента экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ1)

 

         Коэффициент экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ1) показывает стабильность ландшафта, соотношение в агроландшафте сельскохозяйственных или иных угодий, которые обладают стабилизирующим или дестабилизирующим влиянием на агроландшафт.

 (КЭСЛ1) = ∑ Fстаб / ∑ Fдестаб

К стабилизирующим угодьям  относят площади, занимаемые стабильными элементами ландшафта: леса, защитные лесные насаждения, прибалочные, приовражные луга, заповедники, заказники, естественные водоемы и болота, кустарники, пастбища, сенокосы, пашня под многолетними культурами.

К нестабильным элементам ландшафта относят площади под застройками и домами, зарастающие и заиленные водоемы, места добычи полезных ископаемых, овраги, пашня под однолетними культурами.

Оценка коэффициента экологической стабильности ландшафта 

Менее или =0,5	ландшафт с ярко выраженной нестабильностью
0,5 - 1,0	ландшафт нестабильный
1,01-3,0	ландшафт условно стабильный
3,01-4,5	ландшафт стабильный
4,5 и более	ландшафт с ярко выраженной стабильностью

 

                                                                                                       
Таблица 2

Структура ландшафта

№	Наименование элемента	Площадь элемента (га)
1	Опушки лесных полос	89,56
2	Опушки прибалочных  полос	112,26
3	Береговые полосы рек  и водоемов	108,46
4	Сенокосы	259,27
5	Степная и травянистая  растительность	414,3
6	Кустарники	19
7	Овраги	58
8	Балки	49
9	Дороги	159,89
10	Застройки	66,5
11	Пашня под однолетними  культурами	4896,47
12	Сады	19,89
Итого		6252,6

 

Fстаб.= 89,56+112,26+108,46+259,27+414,3+19 = 1002,85 га

Fдестаб. = 58+49+159,89+66,5+4896,47 = 5249,75 га

КЭСЛ1 = 1002,85/5249,75 = 0,19=0,2

Вывод: В данном примере коэффициент экологической стабильности ландшафта равен 0,2. Это означает, что ландшафт с ярко выраженной нестабильностью.

 

2.3 Расчёт коэффициента экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ2)

 

         При учёте стабильности ландшафта необходимо учитывать не только соотношение составляющих его биотических элементов, но и их качественное состояние: состояние рельефа, качество почвы, устойчивость материнских пород, состояние растительности и продуктивности биомасс. В наиболее полной степени такой подход реализуется при расчете коэффициента экологической стабильности ландшафта (КЭСЛ₂).

       КЭСЛ2 = P_i ^х К_{ЭЗ х} К_гу 

              P_i

P_i ^х К_ЭЗ - площадь биотического элемента (отдельных угодий) с учётом коэффициента их экологической значимости;

P_i - общая площадь агроландшафта (в знаменателе);

К_ЭЗ - коэффициент экологической значимости;

К_гу - коэффициент геоморфологической устойчивости.

         Коэффициент экологической значимости характеризует экологическое значение отдельных биотических элементов.

Коэффициент экологической  значимости

Лиственные леса	1
Застройки и дороги	0
Пашня	0,14
Овраги	0,05
Виноградники	0,29
Хвойные леса	0,38
Сады, лесные культуры и  лесополосы	0,43
Огороды	0,5
Луга, сенокосы, кустарники, балки	0,62
Хвойно-широколиственные леса	0,63
Пастбища	0,68
Водоёмы и водотоки	0,79
Пески	0,1

 

Коэффициент геоморфологической устойчивости рельефа

устойчивые материальные породы	1 (стабильные)
пески, оползни, овраги	0,7 (нестабильные)

 

Оценка коэффициента экологической устойчивости ландшафта (КЭСЛ₂)

менее или равен 0,33	ландшафт нестабильный
0,34-0,5	ландшафт мало стабилен
0,51 - 0,66	ландшафт средней стабильности
Более 0,66	ландшафт стабильный

                                                         Таблица 3

Вычисление  коэффициента КЭСЛ2

Название угодий	Площадь с учётом коэффициентов, га
Опушки лесных полос	38,51
Опушки прибалочных  полос	69,60
Береговые полосы рек  и водоёмов	85,68
Сенокосы	160,74
Степная и травянистая  растительность	256,87
Овраги	2,9
Балки	49,62
Дороги	0
Застройки	0
Пашня	685,50
Кустарники	11,78
Сады	8,55
Итого	1369,75

 

∑(P_i ⁺ К_ЭЗ ) = 1369,75га

∑P_i = 6252,6 га

К_гу =1

КЭСЛ₂= 1369,75 / 6252,6 * 1 = 0,22            

Вывод: В данном случае ландшафт является нестабильным, так как коэффициент меньше 0,33.

 

2.4  Расчёт коэффициента эрозионной расчленённости территории

 

       К_эр = L /   P           

L - общая длина оврагов, км;

Р - общая площадь агроландшафта, км².

 

 

Оценка коэффициента эрозионной расчленённости территории

менее 0,2	слабая расчленённость, удовлетворительное экологическое состояние
0,2-0,7	средняя расчленённость, напряжённое ухудшающееся экологическое состояние
0,71-2,5	сильная расчленённость, чрезвычайное экологическое состояние
более 2,5	Сильная эрозионная расчленённость, экологическое бедствие