Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Почвенная мезофауна как индикатор воздействия металлургических комбинатов на природные сообщества Кольского Севера

ВАК РФ 11.00.05, Биогеография и география почв

Автореферат диссертации по теме "Почвенная мезофауна как индикатор воздействия металлургических комбинатов на природные сообщества Кольского Севера"

московский государственный университет

имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

I

На правах рукописи

КОНЕВА ГАЛИНА ГЕННАДЬЕВНА

ПОЧВЕННАЯ МЕЮФАУНА КАК ИНДИКАТОР ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ' КОМБИНАТОВ НА ПРИРОДНЫЕ СООБЩЕСТВА КОЛЬСКОГО СЕВЕРА

11.00.05. - биогеография и география почв

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва

1995

Работа выполнена на кафедре биогеографии географического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель - член-корреспондент РАН, профессор

Д. А. Криволуцкий

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, старший научный сотрудник А. Ю. Ретеюм доктор биологических наук, старший научный сотрудник

А. Д. Покаржевский

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт охраны природы

Защита диссертации состоится 1995 г. в часов на

заседании физико-географического диссертационного совета Д-053.05.29 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, ауд.18-07.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ.

Автореферат разослан 1995 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат географических наук £<А/(

. и Т. И. Кондратьева

Актуальность темы.

Проблема оценки отдельных компонентов и в целом состояния экосистем Арктики в условиях техногенного воздействия стала особо актуальной в связи с глобальным освоением Севера. Кольский полуостров один из примеров такого воздействия. Наряду с имеющимися данными по состоянию растительных сообществ Кольского Севера в условиях загрязнения (Крючков, Макарова, 1989; Влияние атмосферного воздействия ...,1990; Гитарский, 1993; Черненькова, 1995), почв (Евдокимова, Мозгова, 1987; Кор151к, 5око1оуа, ТегеШп, 1992; Никонов, Лукина, 1995), а также ландшафтов в целом (Дончева, Казакова, Калуцков, 1992; Степанов, 1993), сообщество почвенных беспозвоночных этого региона практически не изучено.

Принципы использования почвенных животных в индикационных исследованиях разработаны М.С. Гиляровым (1965) в виде общей теории зоодиагностики почв. Высокое видовое разнообразие, обилие и оседлость почвенных беспозвоночных, а также широкие ареалы их распространения позволяют использовать эту группу животных с учетом основных положений этой теории для индикации почв и оценки состояния сообществ различных природных зон (Перель, 1978; Минеева, 1980). Достаточно высокая чувствительность почвенных беспозвоночных к воздействию антропогенных факторов также позволяет использовать их для индикации состояния сообществ в условиях загрязнения.

Изучение мезофауны почв, ее индикационных свойств является актуальной задачей применительно к биогеоценозам Кольского полуострова, которые в силу природно-климатических условий и более бедного видового состава биоты весьма восприимчивы к внешним воздействиям.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы кафедры биогеографии "Биомониторинг экологических состояний ландшафта и качества окружающей среды", п/тема "Мониторинг техногенного загрязнения методами зооиндикации" (N.01.9.20003140); совместного международного проекта между географическим факультетом МГУ, Мониторинговым центром охраны природы мира (\VSMC) и Полярным Институтом Скотта Кембриджского Университета - "База данных по окружающей среде Арктики: программа для РФ"; а также в рамках темы ГНТК 0.85.09 по программе "Экологические основы устойчивости наземных ценозов к антропогенному воздействию и их охрана", которая осуществлялась в составе комплексных научно-исследовательских работ Институтом эволюционной морфологии и экологии животных РАН им. А.Н. Северцова.

Пели и задачи исследования. Цель данной работы заключалась в изучении индикационных свойств структурно-функциональных особенностей почвенной мезофауны предтундровых редколесий и северотаежкых лесов Кольского Севера, находящихся в условиях различного уровня загрязнения выбросами предприятий цветной металлургии.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. изучение особенностей структуры почвенной мезофауны северотаежных лесов и предтундровых редколесий Кольского Севера;

2. исследование общих закономерностей изменения видового разнообразия комплекса почвенных беспозвоночных в условиях промышленного загрязнения;

3. изучение функционально-трофических связей почвенного зооценоза в условиях промышленного загрязнения;

выявление видов-индикаторов почвенной мезофауны, которые могут быть рекомендованы для организации мониторинговых исследований;

¿Г создание компьютерной базы данных количественных показателей мезофауны почв Кольского Севера для индикации загрязнения.

Научная новизна. Впервые проведено исследование почвенной мезофауны предтундровых редколесий Кольского полуострова, сформированных на иллювиально-гумусовых подзолах. Изучены тенденции изменения сообщества почвенных беспозвоночных за многолетний период воздействия промышленных выбросов на северные экосистемы. Описана фауна поверхностно-подстилочных пауков нредтундровых редколесий и северотаежных лесов и ее изменения в условиях загрязнения. Проведено исследование состояния отдельных видов педобионтов, наиболее чувствительных к высокому содержанию токсикантов в природной среде. Предложены группы видов-индикаторов для индикационных исследований.

Для определения степени воздействия источников выбросов на природные сообщества применены некоторые показатели трофической структуры почвенной мезофауны.

Практическая значимость. Результаты исследований были применены при разработке критериев экологического нормирования выбросов промышленных предприятий. Полученные данные могут быть использованы для оценки состояния и степени деградации природных экосистем, при организации системы биомониторинга, определения нормы состояния природных сообществ.

Апробация. Основные положения диссертации были доложены на Международных совещаниях: "Биоиндикация и биомониторинг" (Загорск, 1991); на российско-

финском рабочем совещании "Air Pollution In Kola Peninsula" (С.-Петербург, 1992), на XI международном симпозиуме "Soil Organisms and Soil Health", (Juvaskyla, 1992), "EERO Simposium On Chemical Risk Assessment" (Москва, 1994), на совещании "Биологическое разнообразие лесных экосистем" (Москва, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Общий объем диссертации - 130 страниц, включая 21 рисунок и 18 таблиц. Список литературы включает 140 библиографических названий, в том числе 43 на иностранных языках.

Автор выражает искреннюю признательность за помощь в работе над диссертацией и организации полевых исследований - научному руководителю - чл.-корр. РАН профессору Д.А. Криволуцкому, к.б.н. Т.В. Черненьковой, д.ф.-м.н. A.M. Степанову? за помощь в определении поверхностно-подстилочных пауков - д-ру Сеппо Копонену (Финляндия) и к.б.н. A.B. Танасевичу, жужелиц - к.б.н. К.А. Михайлову; за помощь в создании базы данных и их статистической обработке - к.б.н. Е.А. Прудникову, а также к.г.н. Е.И. Голубевой и к.г.н. Л.Г. Емельяновой за ценные научные и методические консультации.

ГЛАВА f. Почвенная фауна как индикатор промышленного загрязнения

В главе на основе литературных данных рассматриваются возможности использования почвенной фауны в оценке состояния природных сообществ при воздействии промышленного загрязнения.

Обобщены сведения о восприимчивости почвенных животных к различного рода токсикантам, в том числе к тяжелым металлам и сернистым соединениям, являющихся основными ингредиентами выбросов металлургических предприятий. Приведены данные по выработке почвенными беспозвоночными защитных механизмов при поглощении ими тяжелых металлов. Рассматриваются типы реакций почвенных животных на промышленное загрязнение на организменном, популяционном и ценотическом уровнях.

Отмечается, что среди трофических групп почвенной мезофауны, соотношение которых меняется в ландшафтно-зональным плане, существует четкая корреляция между типом питания, кумулятивной способностью некоторых беспозвоночных и характером накопления поллютантов (Жулидов, Емец,1979; Hunter et al., 1987). На популяци-

онном уровне реакция на воздействие тяжелых металлов проявляется в виде снижения общей биомассы, численности, изменения видового разнообразия, половой и возрастной структуры (Hopkin et al., 1985; Bengtsson, Ohlsson, 1988).

ГЛАВА II. Эколого-географическая характеристика района исследований.

Характеристика источников загрязнения

Исследования проводились в подзоне предтундровых редколесий, относящихся к Кольской (Лапландской) иодпровинции Европейско-Западносибирской провинции и в подзоне северотаежных лесов Кольско-Печерской иодпровинции Североевропейской таежной провинции (Растительность европейской части СССР, 1980).

Район исследований располагается в северо-восточной части Балтийского щита и характеризуется среднегорным грядово-холмистым рельефом. Рельеф западной и центральной частей области низко- и среднегорный, восточной части - увалисто-равнинный. Распространены низменные равнины, часто заболоченные и местами усложненные глыбовыми горами или моренными холмами (Перевозчикова, 1971).

Особенности климата обусловлены влиянием теплого течения, омывающего северное побережье Кольского полуострова, для которого характерны продолжительнаяг относительно мягкая зима, влажное и прохладное лето (Яковлев, Козлова, 1971; Рамен-ская, 1984).

Результаты изучения морфологии почв Кольского полуострова свидетельствуют о преобладании здесь иллювиально-гумусового (Al-Fe-гумусовый) и подзолообразова-тельного почвенных процессов (Ливеровский, 1974; Никонов, Переверзев, 1987).

Для подзоны предтундровых редколесий характерны; сосна лапландская, ель сибирская, береза пушистая, извилистая и карликовая, можжевельник сибирский, кустар-ничковые ивы. Невысокая сомкнутость крон древостоев способствует развитию светолюбивой флоры в нижних ярусах, где широко распространены растения, свойственные холодным и сырым почвам: мхи и лишайники, болотные кустарнички (багульник, голубика, вороника).

Северотаежные леса представлены ельниками (чернично-вороничными, лишай-никово-зеленомошньши, долгомошными и др.), сосняками (долгомошщными, чернично-вороничными, вересковыми, лишайниковыми, зеленомошно-лишайниковыми и др.), и производными березняками (лишайниковыми, чернично-вороничными, долгомошными и др.).

В Мурманской области сформировано два района интенсивного воздействия выбросов промышленных предприятий на природные сообщества: центральный и северо-

западный. Центральный располагается в зоне северотаежных лесов и объединяет зоны воздействия предприятий цветной металлургии в гг. Мончегорске и Кандалакше, черной металлургии в гг. Оленегорске и Ковдоре, горно-химической промышленности в гг. Кировске и Апатитах (Крючков, Макарова, ¡982). Северо-западный район промышленного загрязнения сформировался за счет выбросов подразделений медно-никелевого комбината "Печенганикель", расположенных в г. Заполярном и пос.Никель.

Горно-металлургические комбинаты "Североникель" и "Печенганикель", построенные на базе месторождений медно-никелевых руд, в настоящее время являются одними из крупнейших предприятий отрасли. С переходом в 70-х гг. этих комбинатов на переработку норильской руды, содержащей большее количество серы, чем местная, возросла антропогенная нагрузка на природные сообщества.

По состоянию на 1989 г. суммарный выброс загрязняющих веществ в атмосферу ГМК "Печенганикель" составил 287 тыс.тонн диоксида серы и 8.1 тыс.тонн медно-никелевой ныли. Выбросы диоксида серы по данным на 1990 г. ГМК "Североникель" составили 266,5 тыс.т, твердых веществ - 15.8 тыс.т.

ГЛАВА III. Материалы и методы исследования

Работы проводились в составе комплексных исследований в северотаежных лесах и предтундровых редколесьях Кольского полуострова, находящиеся в окрестностях ГМК "Североникель" и "Печенганикель".

Исследования проводились на пробных площадях, расположение которых определялось рельефом местности (наличие поперечных направлению ветров хребтов сокращало протяженность зон, наличие продольных долин увеличивало ее); доминирующим направлением ветров; характером растительного покрова; наличием соседних промышленных зон; действием других антропогенных факторов (рекреационной нагрузки, вырубок, пожаров) и находящихся на различном расстоянии от источников выбросов.

Протяженность трансект была ограничена выходом на фоновый уровень, когда регистрируемые параметры стабилизировались около среднего значения, характерного для местного, регионального фона. Контрольные пробные площади выбирались вне сферы воздействия комбината, в наиболее сохранившихся местообитаниях.

Руководствуясь перечисленными выше положениями, пробные площади в предтундровых редколесьях (окрестности ГМК "Печенганикель"), представленные сосно-

во-березовыми ассоциациями, отбирались по трансектам северного, южного, восточного и западного направлений в период 1991-1992 гг.

В северотаежных лесах (окрестности ГМК "Североникель") исследования проводились на пробных площадях в ельниках кустарничково-зеленомошных, заложенных в 1981-1985 гг. и являлись продолжением работ начатых в тот период. Наиболее полно было изучено южное направление, поэтому в 1991-92 гг. исследования проводились только по южной трансекте на расстоянии 2, 5, 10, 20 и 30 км от источника выбросов.

Пробные площади размером 50x50 м закладывались на таком участке растительной ассоциации, где основные показатели фитоценоза были типичными и не содержали признаков дополнительного варьирования (Черненькова, 1987).

Почвенные пробы в северотаежных биогеоценозах отбирались в чернично-зеленомошной парцелле, а в предтундровых редколесьях - в кустарничковой парцелле межкронового пространства.

Сбор почвенной мезофауны производили методом почвенных раскопок размером 25 х 25 см на глубину встречаемости животных (Гиляров,1987). Разбор почвенных проб производился вручную в лабораторных условиях, при котором учитывалась биомасса и численность различных таксономических групп, их встречаемость.

Состояние мезофауны в условиях воздействия выбросов металлургических комбинатов оценивалось по изменениям количественных (общая биомасса и биомасса отдельных таксонов, численность) и качественных (групповое и видовое разнообразие, соотношение трофических групп) параметров структуры комплекса почвенных беспозвоночных на всех исследуемых направлениях.

Изучение состояния природных сообществ и в частности почвенного зооценоза в северотаежных лесах и предтундровых редколесьях проводилась по зонам, разделение которых осуществлялось по принципу структурной организации лесных растительных сообществ (Черненькова, 1987, 1992) с выделением шшактной (зоны сильного загрязнения), буферной (зоны среднего загрязнения) и фоновой зон (зоны слабого загрязнения).

За период исследований было отобрано 112 почвенных проб в северотаежных лесах и 289 проб в предтундровых редколесьях. Обработаны результаты 90 проб, отобранных в 1981/83 гг.

Статистическая обработка материалов полевых исследований и создание баз данных проводилась при помощи программ Quattro Pro for Windows и Statistica for Windows.

ГЛАВА IV. Характеристика комплексоз почвенных беспозвоночных предтундровых редколесий в окрестностях металлургического комбината

Почвенная мезофауна ненарушенных сообществ предтундровых редколесий характеризуется поверхностно-подстилочным комплексом животных, формирование которого обусловлено природно-климатическими условиями данного региона.

Основную долю всей биомассы мезофауны составляют жесткокрылые (рис.1), среди которых выделяется семейство жуков щелкунов, представленное личинками - проволочниками. На долю проволочников приходится на фоновых территориях более половины всей биомассы почвенной мезофауны. В предтундровых редколесьях и северотаежных лесах Кольского полуострова эта группа животных представлена тремя видами: щелкун выпуклый (Paranomus costalis Раук.), щелкун краснохвостый (Allions hacmorrhoidalis F.) и щелкун коричневый (Seríais brunneus L.) среди которых доминирует щелкун выпуклый. Субдоминантной группой почвенной мезофауны являются поверхностно-подстилочные пауки, видовое разнообразие которых максимально в ненарушенных сообществах.

Фоновая зона характеризуется высоким проективным покрытием травяно-кустарничкового и наземного растительных ярусов (около 95%). Наблюдается относительно полночленная структура и видовое разнообразие сообществ, присущее биогеоценозам предтундровых редколесий. Структура почвенной мезофауны представлена полностью, и ее количественные показатели максимальны. Варьирование значений основных параметров почвенной мезофауны не выходят за пределы естественной изменчивости этих признаков, характерной для ненарушенных сообществ данного региона.

Буферная зона характеризуется упрощением структуры растительных сообществ: ослаблением древесного яруса из хвойных пород и частичной деградацией мохово-лишайникового покрова.

В буферной зоне наблюдается снижение значений основных параметров почвенная мезофауны. Относительное сохранение структуры мезофауны свидетельствует об ослабленном воздействии выбросов комбината на территории этой зоны. Но биомасса и численность мезофауны остаются значительно ниже контрольных.

Характерной особенностью почвенной мезофауны буферной зоны является отсутствие основных почвообразователей - дождевых червей.

Почвенная мезофауна импактной зоны, где выражен практически только травяно-кустарничковый ярус с общим проективным покрытием не превышающим 30%, пре-

терпевает кардинальные изменения: общая биомасса и численность почвенных беспозвоночных сокращается на порядок по сравнению с ненарушенными сообществами. Отмечается обеднение таксономического состава и изменение структуры доминирования (рис.1). Доминирующее положение в мезофауне занимают пауки, в отличие от ненарушенных сообществ, где доминантами являются жесткокрылые.

Почвенно-зоологические исследования показали, что в импактной зоне из-за высокого содержания поллютантов в подстилочном слое практически полностью отсутствуют сапрофаги (дождевые черви, энхитреиды, моллюски).

Рис. 1. Изменение структуры почвенной мезофауны предтундровых редколесий по зонам воздействия комбината "Печенганикель". Список групп: 1- проволочники - личинки щелкунов (Е1а1сп<1ае 1.); 2 - стафилины ^арЬуЦпМае); 3 - долгоносики (СигсиНошёас); 4 - жужелицы (СагаЫйае); 5 - науки (Агапеа); 6 -двукрылые (1)1р1ега 1.); 7 - костянки-многоножки (ЫШоЫотогрЬа); 8 - сеноеды (Copeognatha); 9 - энхитреиды (ЕпсЬу1гае1с1ае); 10 - дождевые черви (ЬитЬпи()ае); 11 - моллюски (51у!1ота1орЬога); 12 - тараканы (В1аПор1сга); 13 - полужеепкокрыдые (Нсгшр1ега); 14 - перепончатокрылые (Нутспор(ега); 15 ■ чешуекрылые (Ьер1с!орСега)

ГЛАВА V. Состояние почвенной мезофауны северотаежных лесов в окрестностях металлургического комбината

Почвенная мезофауна северотаежных лесов имеет значительное сходство с мезо-фауной предтундровых редколесий: во-первых, также представлена поверхностно-подстилочным комплексом; во-вторых, большинство групп типичны и для предтундро-

вых редколесий; в-третьих, характерны те же доминирующие группы, что и в ранее описанных сообществах - жуки, представленные в северотаежных лесах личинками жуков щелкунов (или проволочники), жужелицами, стафилинами, долгоносиками, пестряками, мягкотелкамн и ощупниками. Среди жесткокрылых доминирует также как и в предтундровых редколесьях, семейство щелкунов, биомасса которых значительно выше, чем в предтундровых редколесьях. Основные отличия проявляются в более высоких показателях биомассы и численности почвенных беспозвоночных ненарушенных сообществ. Так, суммарная биомасса почвенных беспозвоночных составляла 5698,0 мг/мг, а численность - 442 окз/мг. Для мезофауны северотаежных лесов характерна высокая биомасса чешуекрылых, представленных в почвенной мезофауне личиночной формой. Биомасса этих животных в ненарушенных сообществах на порядок выше, чем в предтундровых редколесьях. Как показали исследования, по мере увеличения воздействия выбросов на природные сообщества основные характеристики и структура мезофауны северотаежных лесов и предтундровых редколесий изменяются аналогичным образом.

Структура почвенной мезофауны фоновой зоны, которая находится в 30 км от комбината "Североникель", сходна с контролем, но характеризуется некоторым обеднением таксономического разнообразия, в частности - отсутствием в почвенных пробах некоторых жуков (пестряков, ощупников и т.д.). Суммарная биомасса почвенных беспозвоночных была ниже контрольных значений в 3 раза. Индикаторами фоновых территорий северотаежных лесов, также как и предтундровых редколесий, может служить доминирование проволочников, не характерное для зон более сильного воздействия выбросов металлургических комбинатов. Исследование структуры и видового разнообразия поверхностно-подстилочных пауков, сохраняющих свое присутствие в сообществах различной степени нарушенное™, показало высокую индикационную значимость этой группы. Различная степень нарушенности природных сообществ выражается в последовательном снижения плотности популяций доминирующих видов и изменчивости видового состава по градиенту загрязнения.

Почвенный зооценоз буферной зоны находится в сильно угнетенном состоянии. Об этом свидетельствуют не только низкие значения основных параметров, но и снижение таксономического разнообразия мезофауны почв. Характерной чертой структуры мезофауны буферной зоны является, как это было отмечено и в предтундровых редколесьях, отсутствие дождевых червей, являющихся основными деструкторами подстилки.

Импактная зона северотаежных лесов, как и предтундровых редколесий, характеризуется серьезными структурными перестройками почвенной мезофауны. Общая био-

масса и численность почвенных беспозвоночных сократились в 50 раз по сравнению с контрольными значениями. Мезофауна почв импакгной зоны, в отличие от предтунд-ровых редколесий, представлена лишь хищными пауками, жуками (жужелицы и сгафи-лины) и единично встречающимися костянками. Характерной особенностью структуры мезофауны этой зоны являлось доминирование поверхностно-подстилочных пауков, что отмечалось и в предтундровых редколесьях. Значения биомассы и численности почвенных животных импактной зоны значительно ниже соответствующих значений для этой зоны в окрестностях ГМК "Печенганикель", что может быть объяснено более сильным и продолжительным воздействием выбросов на почвенную биоту.

Накопление основных ингредиентов выбросов в природных сообществах в результате хронического загрязнения способствует ухудшению состояния почвенного зооценоза. Исследования, проведенные повторно (1991-1992 гг.) на пробных площадях южной трансекты в окрестностях комбината "Североникель", позволили оценить тенденцию изменения структуры почвенного населения за десятилетний период. На рис.2 показано изменение структуры мезофауны по зонам воздействия выбросов комбината на природные сообщества за два периода исследований.

Как показали исследования, биомасса животных импактной зоны за десятилетний период сократилась в 10 раз. В буферной зоне суммарная биомасса почвенной мезофауны снизилась в среднем на 40%, хотя численность и групповое разнообразие практически не изменилось. Мезофауна фоновой зоны также претерпевает изменения - биомасса сокращается в 10 раз, численность снижается на 30%. Изменение параметров почвенной мезофауны за десятилетний период воздействия позволяет говорить о расширении импактной зоны практически до 10 км, буферной соответственно до 30 км, что подтверждается также отсутствием дождевых червей на пробных площадях этой зоны в последний период исследований (рис.2).

Расширение импактной зоны воздействия ГМК, предполагающее дальнейшее смыкание зон воздействия промышленных точек Кольского полуострова, о котором говорится в работе В.В. Крючкова (1982), закономерно приведет к сокращению ареалов многих видов почвенных животных, играющих важнейшую роль в нормальном функционировании биогеоценозов.

Рис.2. Изменение структуры почвенной мезофауны северотаежных лесов по зонам воздействия комбината "Североникель" по данным 1981-1983 (А) и 1991-1992 гт (Б). Список групп: 1- проволочники, или личинки жуков щелкунов (Elateridae 1.); 2 - стафилины (Staphyliniidae); 3 - долгоносики (Curculionidac); 4 - жужелицы (Carabidae); 5 - пестряки (Cleridae); 6 - мягкотелки (Cantharididae); 7 - ощупники (Anisothomidac); 8 - сеноеды (Copeognatha); 9 - чешуекрылые (Lepidoptera); 10 - перепончатокрылые (Hymcnoptera); 11 - полужесткокрылыс (Hemiptera); 12 - двукрылые (Diptera 1.); 13 • пауки (Агапеа); 14 - (Opiüoncs); 15 - костянки-многоножки (Lithobiomorpha); 16 - энхитреидм (Enchylraeidac); 17 - дождевые черви (Lumbricidae); 18 - (Arionidae).

И

ГЛАВА VI Трофическая структура почвенной мезофауны как индикатор промышленного загрязнения

В ненарушенных наземных биогеоценозах трофическая структура (соотношение трофических групп) более или менее постоянна, за счет регулирования численности (или биомассы) в нормально функционирующих сообществах. Особенности функционально-трофической структуры почвенной мезофауны определяются, прежде всего, природно-климатическими условиями, степенью развития гумусовых горизонтов почв, о чем свидетельствуют зональные особенности трофической структуры почвенной фауны (Стриганова, Чернов, 1980).

В сообществах, испытывающих определенную антропогенную нагрузку, соотношение трофических групп неизбежно нарушается, что может служить хорошим признаком степени нарушенности природных сообществ.

Трофическая структура почвенной мезофауны иллювиально-гумусовых подзолов северотаежных биогеоценозов и предтундровых редколесий Кольского полуострова характеризуется обеднением фауны сапрофагов, по сравнению с южнотаежными биогеоценозами (Глазов, Войцик, Кручина, 1986, Комплексная экологическая оценка..., 1992). На долю этой трофической группы в ненарушенных биогеоценозах приходится не более 70%. Чрезвычайно низкое участие основных потребителей подстилки - дождевых червей.

Закономерное изменение трофической структуры в условиях антропогенного загрязнения, происходит за счет высокой чувствительности почвенных сапрофагов к накоплению токсикантов в подстилке. Удельная масса сапрофагов снижается по мере увеличения антропогенной нагрузки на природные сообщества, при этом возрастает долевое участие в мезофауне хищных беспозвоночных. Общий характер изменения основных трофических групп представлен на рис. 3.

Увеличение долевог о участия хищников в трофической структуре, при сохранении общей тенденции снижения основных ценотичсских параметров, свидетельствует о косвенном влиянии антропогенного воздействия на эту группу животных и состоянии кормовой базы. Снижение долевого участия сапрофагов по градиенту вполне закономерно, в силу непосредственного контакта с загрязненной пищей.

90

.. 70 1 50

4 30 10 о

5 15 25 35 45 55 65

Удалите от юмбннага. км

Рис. 3. Изменение соотношения трофических групп почвенной мсзофауны предтундровых редколесий Кольского полуострова по мере удаления от источника выбросов

Обобщив результаты исследования трофической структуры почвенной мезофауны в двух типах биогеоценозов Кольского Севера, можно сказать, что импактная зона характеризуется очень низким участием сапрофагов в мезофауне обоих типов биогеоценозов. В предтундровых редколесьях доля сапрофагов этой зоны не превышала 8,1% от суммарной биомассы почвенной мезофауны. А на территории радиусом 3 км вокруг источника выбросов сапрофаги в почвенных пробах отмечены не были.

В северотаежных биогеоценозах трофическая структура в исследованиях 1981-1983 гг. была представлена только зоофагами. В ¡991-1992 гг. участие сапрофагов в трофической структуре импактной зоны составляло 13° п. Вероятно это произошло за счет расширения импактной зоны за десятилетний период (отнесения нами пробной площади на 10 км к импактной зоне). Сравнение же по пробным площадям показало, что на расстоянии 5 км от источника выбросов уровень загрязнения настолько высок, что сапрофаги не встречались в почвенных пробах этой пробной площади в исследованиях обоих периодов.

Буферная зона предтундровых редколесий характеризуется возрастающей долей сапротрофных беспозвоночных и увеличением их разнообразия. Долевое участие этих животных возросло до30О/о.

В северотаежных биогеоценозах трофическая структура этой зоны характеризуется приблизительно равным соотношением сапрофагов и зоофагов.

^ 80

^

о

§ 60 •3

■а

<и

<о 40

о

*

4

20

0

10 20 30 40 50 60 70 80

Удаление от комбината, км

Рис. 4. Изменение соотношения трофических групп почвенной северотаежных лесов Кольского полуострова по мере удаления от источника выбросов в разные периоды исследований.

В трофической структуре фоновой зоны долевое участие сапрофагов в обоих типах изученных биогеоценозов (рис. 3 и 4) достигает контрольного значения, хотя биомасса этих животных может быть, как показали исследования, ниже контрольных значений. Характерной особенностью фоновой зоны предтундровых редколесий и северотаежных лесов является появление в трофической структуре первичных разрушителей подстилки - дождевых червей.

Равное долевое участие (по биомассе) в трофической структуре сапрофагов и хищников приходится на границу буферной и фоновой зон, как в предтундровых редколесьях, так и в северотаежных лесах. В северотаежных лесах за десятилетний период наблюдалось расширение буферной и фоновой зон воздействия выбросов и соответствующее им удаление от источника точки равного долевого участия этих трофических групп (Рис.4). Это может служить показателем уровня критической нагрузки атмосферных выбросов на природные сообщества.

Таким образом, несмотря на различную биомассу и качественный состав, трофическая структура почвенной мезофауны изученных биогеоценозов обнаруживает определенные закономерности в реакции на степень загрязнения окружающей среды, которые проявляются в изменении биологического разнообразия и соотношения тро-

фических групп, а также в изменении количественных показателей. Наиболее чувствительным звеном почвенной мезофауны, как показали наши исследования, является группа сапрофагов. Зона сильного загрязнения характеризуется практически полным отсутствием этой группы. В буферной зоне - приблизительно равное соотношение сапрофагов и хищников, что ярко отражено на рис.2. В фоновой зоне структура восстанавливается и появляются дождевые черви. Эти признаки могут быть положены в основу зонирования территорий подвергшихся воздействия промышленных атмосферных выбросов и служить индикатором состояния сообществ в целом.

Опираясь на положение о том, что снижение биомассы трофических групп на 20% по отношению к контролю в условиях загрязнения характеризует пороговую нагрузку для почвенных животных (Оценка состояния и устойчивости экосистем, 1992), можно считать, что такую нагрузку почвенный зооценоз испытывает на территории фоновой зоны. Снижение же биомассы более чем на 50% характеризует критическую нагрузку на природные сообщества при которой невозможно его восстановление. По данным наших исследований, такая нагрузка создается в буферной и импактной зонах. Отсюда следует, что почвенный зооценоз буферной зоны как в предтундровых редколесьях, так и в северотаежных биогеоценозах, при сохранении существующего режима выбросов металлургических предприятий, в течение ближайших 10-15 лет деградирует практически полностью.

ВЫВОДЫ

Результаты изучения почвенной мезофауны северотаежных лесов и предтундровых редколесий Кольского Севера, находящихся в условиях разной степени воздействия выбросов металлургических комбинатов, позволили сделать следующие выводы:

1. Особенности структуры почвенной мезофауны изученных биогеоценозов, обусловленные природно-климатическими условиями Кольского Севера, заключаются в формировании поверхностно-подстилочного комплекса беспозвоночных, который, в сравнении с более южными широтами, характеризуется низкими показателями численности, биомассы, таксономического и видового разнообразия.

2. Были выявлены существенные различия в структуре и численных характеристиках почвенной мезофауны северотаежных лесов и предтундровых редколесий Кольского полуострова.

3. В зонах антропогенного воздействия почвенная мезофауна исследуемых сообществ проявляет многообразные, но однотипные реакции на атмосферное загрязнение,

заключающееся в последовательном изменении основных параметров - структуры доминирования, суммарной биомассы, численности, таксономического и видового разнообразия отдельных групп.

4. Доминирующей группой почвенной мезофауны изученных сообществ являются жесткокрылые, среди которых наиболее представительны личинки жуков щелкунов (проволочники). Высокие значения биомассы и обилия проволочников позволяют предложить эту группу животных в данном регионе в качестве индикаторной. Для организации мониторинговых исследований предлагается использование популяционных характеристик щелкуна выпуклого (Ратапотш сошИз Раук.)

5. Выявлена различная устойчивость некоторых групп мезофауны почв к воздействию выбросов: наиболее чувствительны к загрязнению дождевые черви и проволочники, состояние популяций которых является индикатором степени нарушенное™ природных сообществ; поверхностно-подстилочные пауки наиболее устойчивы и остаются единственной группой среди крупных почвенных беспозвоночных, встречающихся в условиях сильного загрязнения, т.е. в импактной зоне.

6. В зонах антропогенного воздействия изменение химизма среды в окрестностях металлургических комбинатов способствуют изменению трофической структуры почвенной мезофауны. Наиболее чувствительным звеном трофической структуры данного региона являются сапрофаги. С учетом конкретных ландшафтно-зональных особенностей соотношение трофических групп служит индикационным признаком степени антропогенного воздействия.

7. Равное долевое участие хищников и сапрофагов наблюдаемое на границе буферной и фоновой зон, может быть предложено в качестве критерия для оценки динамики антропогенного воздействия на северные экосистемы.

8. Учитывая выявленную тенденцию расширения импактных и буферных зон в районе комбинатов "Североникель" и "Печенганикель" и возможного смыкания зон их воздействия можно ожидать усиления деградации природных сообществ.

9. По материалам полевых исследований созданы компьютерные базы данных видового разнообразия и популяционно-демографической структуры поверхностно-подстилочных пауков и щелкунов района исследований, а также база данных количественных оценок почвенных беспозвоночных на уровне семейств и трофических групп в различных зонах воздействия комбината.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Лесные экосистемы в условиях техногенеза // Биоиндикаторы и биомониторинг. Загорск, 1991. С.299-302 (в соавт. с Т.В.Черненьковой).

2. Impact of air pollution on soil macrofauna around the smelter. XI International Colloquium on Soil Zoology "Soil Organisms and Soil Health". Juvaskyla, Finland, 10-14 August, 1992. P.226

3. Changes in soil macrofauna around "Severonikel" smelter complex // Aerial Pollution in Kola Peninsula. Proceedings of International workshop. April 14-16, 1992. St.Petersburg. Apatity, 1993, P.362-364.

4. Density of ground-living spiders (Aranea) near smelter in Kola Peninsula // Aerial Pollution in Kola Peninsula. Proceedings of International workshop. April 14-16, 1992. St.Petersburg. Apatity, 1993, P.365 (в соавт. с Koponen S.).

5. State of soil macrofauna near smelters in Kola Peninsula. Fourth Setae-Europe congress Society of Environmental Toxicology and Chemistry, Belgium, Brussels, 11-14 april, 1994. P. 49.

6. Use of soil macrofauna to assess air pollution. EERO Simposium On Chemical Risk Assessment. Moscow, 13-17 sept., 1994. 29.

7. Изменение трофической структуры почвенной мезофауны северотаежных лесов Кольского полуострова под воздействием выбросов металлургического комбината // Биологическое разнообразие лесных экосистем. Под ред. А.С.Исаева. М., 1995. С.262-264.

8. Воздействие металлургических производств на лесные экосистемы Кольского полуострова, (в соавт. с Т.В.Черненьковой, О.Б.Бутусовым, В.В.Сычевым и др.) М.: Наука. 1995. 25 пл. (в печати)

. " 1

пмп мпс 3.898 т.100 - 95 г. 107174 ьосква, йово-Ьасманная,б