Влияние техногенной эмиссии оксидов азота на почвенно-экологические и фитоценотические условия лесных экосистем Московской области

Аверкиева, Ирина Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Влияние техногенной эмиссии оксидов азота на почвенно-экологические и фитоценотические условия лесных экосистем Московской области
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние техногенной эмиссии оксидов азота на почвенно-экологические и фитоценотические условия лесных экосистем Московской области"

На правах рукописи

Аверкиева Ирина Юрьевна

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА НА ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 н ндй 2013

Владимир 2013

005058882

Работа выполнена в лаборатории моделирования экосистем Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук

Научный руководитель

кандидат географических наук, Припутина

доцент Ирина Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор, Снакин

ФГБУН Институт фундаментальных Валерий Викторович

проблем биологии РАН, заведующий

лабораторией

доктор сельскохозяйственных наук, Карпова

ФГБОУВПО Московский государственный Дина Вячеславовна

университет имени М.В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук

Защита состоится $ к ^¡^ в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.025.07 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корп. 1, ауд. 335.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ. Отзывы на автореферат просьба направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корп. 1, Факультет химии и экологии, Кафедра экологии.

Автореферат разослан апреля 2013. Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук, доцент О.Н. Сахно

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Хозяйственная деятельность человека, преобразуя абиотические факторы среды обитания живых организмов, изменяет условия функционирования природных экосистем и определяет новые тренды в их развитии. Серьезные антропогенные преобразования биосферы связаны с загрязнением воздушной среды, к числу приоритетных полшотантов которой относятся оксиды азота (NOx). Техногенные NOK относительно быстро выводятся из воздушной миграции, поступая на земную поверхность с осадками и за счет сухого осаждения преимущественно в форме нитратных соединений, которые активно включаются в биотический круговорот и существенно трансформируют многие его процессы.

В зарубежных публикациях последних лет уделяется большое внимание экологическим проблемам, связанным с последствиями повышенного поступления техногенных соединений азота в лесные биогеоценозы (Bobbink et al., 2002; Sutton et al., 2011). В нашей стране подобные исследования не получили широкого распространения, хотя во многих регионах России отмечается высокий уровень загрязнения воздушной среды NOx (Государственный доклад.., 2009). В их числе - Московская область, лесные экосистемы которой играют важнейшую роль в обеспечении экологического благополучия столичного региона. Сохранение биоразнообразия лесов Подмосковья, их средообразующих, рекреационных, водоохранных и других функций, имеет особую актуальность в связи с тенденцией роста техногенных нагрузок азота в Центральном регионе. Это определило выбор темы диссертационной работы и объектов исследования.

Цель работы - анализ влияния техногенной эмиссии оксидов азота на фитоценотические и почвенно-экологические условия лесных экосистем Московской области, определяющие динамику их развития и устойчивое функционирование в долговременной перспективе.

В соответствии с поставленной целью, объектами исследования в данной работе были лесные биогеоценозы Подмосковья, рассматриваемые

нами как совокупность растительных сообществ и среды их обитания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. На основе анализа литературы определить набор показателей / индикаторных критериев, отражающих условия обеспеченности лесных экосистем азотом, как важнейшим элементом питания, и характеризующих степень возможной трансформации азотного цикла в лесных биогеоценозах в результате воздействий, связанных с техногенной эмиссией N0*.

2. Оценить интенсивность и преобладающие формы поступления соединений азота в леса Подмосковья с атмосферными выпадениями.

3. На примере ключевых участков определить особенности флористического состава и эколого-ценотические условия, характерные для лесных сообществ Московской области, а также почвенно-геохимические характеристики, отражающие их экологическое состояние и условия азотного питания в зависимости от сочетания природно-техногенных факторов и сезонной динамики.

4. Оценить зависимость почвенно-экологических и фитоценотических показателей от величин поступления азота в леса Подмосковья с атмосферными выпадениями и дать характеристику степени трансформации азотного цикла в лесных экосистемах Московской области.

Научная повизна. Для лесных биогеоценозов Московской области впервые проведены сопряженные исследования почвенно-экологических и фитоценотических показателей, характеризующих обеспеченность лесов Подмосковья основным элементом питания - азотом. Оценено влияние природных и техногенных факторов на эти показатели. Впервые определены параметры пула минеральных соединений азота (Ы-КГН^обм) и N-N03) в основном корнеобитаемом слое лесных почв центра Европейской России в течение вегетационного сезона при разном сочетании погодно-климатических условий. Выполнены оценки критических нагрузок эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота, соответствующих экологически безопасным уровням поступления азота в различные типы

лесных экосистем Подмосковья, при которых сохраняются оптимальные экологические условия их функционирования и видовое разнообразие.

Практическая значимость. Результаты выполненного исследования могут быть использованы природоохранными и лесными службами Московской области для анализа и прогноза экологического состояния лесов Подмосковья. Предлагаемые критерии оценки азотного статуса лесных экосистем могут быть использовапы в рамках экологической экспертизы проектов развития столичного региона.

Декларация личного участия автора. Все полевые исследования и большая часть химико-аналитических работ выполнены лично или при непосредственном участии автора. Выполнены описания лесной растительности на всех ключевых участках и проведена статистическая обработка геоботанических данных. В течение 2-х вегетационных сезонов 2010-2011 гг. с частотой 1 раз в 2 недели проведены мониторинговые исследования динамики минеральных соединений азота в почвах Приокско-Террасного государственного природного биосферного заповедника (ПТБЗ).

Апробация результатов работы. Материалы диссертации были представлены на 14 конференциях: Конференция молодых ученых «Ломоносов-2008» (Москва, 2008), Путинская международная школа-коиференция молодых ученых «Биология-наука XXI века» (Пущино, 2008, 2010); 3-я Всероссийская конференция «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Пущино, 2008); Всероссийская конференция «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва, 2008); Конференция с международным участием «Почвы и почвенная безопасность России», (С.-Петербург, 2009); Конференция «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2009, 2011); Всероссийская молодежная научная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии», (Сыктывкар, 2010); Международная конференция молодых ученых «Актуальные проблемы ботаники и экологии», (Украина, Ялта, 2010); Международная конференция «European Geosciences Union General Assembly 2011», (Vienna, Austria, 2011); Всероссийская научная конференция с международным участием по лесному почвоведению (Апатиты, 2011), Международная конференция «Mullidisciplinary academic research 2012» (Prague, Czech Republic, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 12 работ в сборниках и материалах конференций и 5 в сборниках тезисов.

На разных этапах исследований работа поддерживалась грантами РФФИ (№№ 09-04-01209, 12-04-31795) и грантом Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере «УМНИК-2010».

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, списка литературы, включающего 256 источников (из них 98 зарубежных), и приложений. Работа изложена на 130 страницах, содержит 13 таблиц, 32 рисунка и 6 приложений.

Благодарности. Автор выражает благодарности своему научному руководителю к.г.н., доценту И.В. Припутиной; заведующему лабораторией моделированиях экосистем ИФХиБПП РАН, д.б.н., профессору A.C. Комарову и всем сотрудникам лаборатории за оказанное внимание и помощь в работе; заведующему лабораторией, д.б.н., профессору Д.Л. Пинскому и сотрудникам лаборатории физико-химии почв ИФХиБПП РАН, а также ведущему инженеру лаборатории функциональной экологии ИФПБ РАН В.П. Смирновой за помощь в проведении химико-аналитических исследований; к.б.н., с.н.с. ИБК РАН A.B. Танканаг за помощь в проведении расчетов величин критических нагрузок; руководству ПТБЗ — за предоставленную возможность проведения мониторинговых исследований на территории заповедника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ТЕХНОГЕННАЯ ЭМИССИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И ПРОБЛЕМЫ НАРУШЕНИЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКОГО ЦИКЛА АЗОТА В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Роль азота в природном биогеохимическом круговороте веществ как одного из основных биогенных элементов, ответственных за продукционный процесс, освещена во многих отечественных и зарубежных публикациях (Пейве, 1961; Кудеяров, 1976, 1989; Башкин, 1987; Никитишен, 1991, 1994; Орлов, 1992; Умаров и др., 2007; Семенов и др., 2009; Scheiesinger, 1992; Bobbink et al., 1996, 2002; Sutton et al., 2004, 2011). В естественных условиях его поступление в наземные экосистемы происходит в основном в результате биологической фиксации атмосферного азота, параметры которой, по разным оценкам, изменяются от 2-5 до 50 кг N/ra в год и выше (Умаров и др., 2007; Rosswall, 1982; DeLuca, 2009). Поступление с атмосферными выпадениями в большинстве регионов мира еще в 50-60-х годах прошлого столетия не превышало 3-4 кг N/ra в год, преимущественно в форме аммония (Chapuis-Lardy, 2007). В лесных почвах бореальной и умеренной зон наиболее доступной формой азотного питания растений являются аммонийные

соединения, и характерна высокая замкнутость биогенного цикла азота (Родин, Базилевич, 1965; Попова, 2003; Федорец, Бахмет, 2003; Разгулин, 2008,2010).

В настоящее время, помимо сельскохозяйственного производства, масштабная антропогенная трансформация природного круговорота азота связана с техногенной эмиссией его оксидов (NO и N02) (Minami, 1997; Karlsson et al., 2009). В результате атмосферного переноса и рассеивания этих поллютантов во многих европейских странах региональный уровень поступления азота в лесные экосистемы с атмосферными выпадениями достигает 15-25 кг N/ra в год и выше, т.е. сопоставим с его биологической фиксацией (Nilsson, Grennfelt, 1988; Sutton et al., 2011). «Техногенный» азот, поступающий в экосистемы в виде био- и педохимически активных соединений, ведет к интенсификации его миграционных потоков внутри экосистем и из экосистем (van der Weerden et all-, 1999; De Vries et al., 2011).

Повышенные выпадения азота в лесных экосистемах вызывают не только рост продуктивности фитоценозов, но и «провоцируют» ускоренную минерализацию органического вещества, а также увеличение кислотности почв, дисбаланс элементов питания, денитрификацию, вымывание нитратов в почвенно-грунтовые воды и нарушения видовой структуры биоценозов (Bobbink et al., 1996, 2002; Stevens et al., 2004). Комплекс экологических изменений, происходящих в природных экосистемах в результате повышенного поступления азота с атмосферными выпадениями, условно подразделяют на эффекты подкисления (аналогично воздействию оксидов серы) и эффекты эвтрофирования (Aber et al., 1989). В зависимости от интенсивности выпадепий, продолжительности их воздействия и специфики природных факторов, определяющих ответные реакции экосистем на данное воздействие, выделяют 3 стадии их «азотного загрязнения», условно названные как стадии иммобилизации, насыщения и избыточной аккумуляции (Bobbink et al., 2002). Поскольку почва и растительность являются неразрывной биогеоценотической системой, то для каждой из этих стадий должны быть характерны определенные показатели почвенно-

экологических и фитоценотических характеристик, которые могут использоваться для индикации данного воздействия.

Техногенная эмиссия А'Ох в Московской области определяется выбросами от автотранспорта и стационарных источников, вклад которых в атмосферную поставку азота для разных административных районов в пересчете на их площадь может составлять от 1-2 до 10 кг/га в год (Электронный ресурс: http://www.ecomo.ru).

Представленный в работе анализ литературы позволил (1) обосновать актуальность выполнения исследований по оценке влияния техногенной эмиссии N0* на экологическое состояние лесов Подмосковья, (2) определить набор методов исследования и (3) индикаторных критериев для характеристики «азотного статуса» лесных экосистем. В их числе, почвенные О^овщ., К-(Ы03+Ш4), С/Ы) и эколого-фитоценотические показатели (балловые шкалы обеспеченности почв азотом и кислотности почв, эколого-ценотические группы), а также экосистемный показатель - критические нагрузки, широко используемые в зарубежных экологических исследованиях.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе представлены данные о ландшафтно-климатических условиях и видовой структуре лесов Московской области. Детальная характеристика флористического состава, структуры и динамики различных групп типов лесных фитоценозов Подмосковья отражена в работах Института лесоведения РАН (Сукачев и др., 1957, 1968, Рысин и др., 1969, 1979, 1982, 1985, 1993, 2003). Эти данные были использованы нами для выбора ключевых участков (далее КУ).

Характеристика ключевых участков. Для оценки влияния эмиссии N0* на почвенно-экологические условия и флористический состав лесов Подмосковья были выбраны 22 КУ, расположенных на разном удалении от потенциальных источников техногенной эмиссии оксидов азота (табл.1).

Таблица 1. Краткая характеристика ключевых участков

Номер участка Характеристика фитоценоза Тип (подтип)почв* (Классификация, 1977) Положение участка: административный район, ближайший населенный пункт

Сосновые леса

1 Сосново-березово -разнотравный ПД1 сп Воскресенский р-он, 5 км от г. Воскресенск

11 Сосняк сложный разнотравный ПД! СП Серпуховский р-он, ПТБЗ**, 4 квартал

25 Сосняк разнотравный П51 сп Серпуховский р-он, ПТБЗ, 4 квартал

26 Сосново-березово-разиотравный Л1 сс Серпуховский р-он, 2 км от г. Пущино

31 Сосняк разнотравный ПД2 лс Мытищинский р-он, 0.5 км от МКАД, г. Мытищи

42 Сосняк зеленомопшик ПД1 п Раменский р-он, с/з им. Цюрюпы

Еловые леса

8 Елово-березово-разнотравный Па!СС Ступинский р-он, с. Семеновское

13 Елытк разнотравный ПЛ1 СП Серпуховский р-он, ПТБЗ, 4 квартал.

14 Ельник осоково-разнотравный Пд2 СС Истринский р-он, д. Дорохово

16 Ельник разнотравно-папоратниковый ПД2 СС Наро-фоминский р-он, сх. Космодемьянский

19 Ельник осоково-разнотравный ПД2СС Серпуховский р-он, д. Скребухово

38 Ельник разнотравно-зеленомошный ПЛ2 СП Раменский р-он, д. Пласкишшо

40 Елово-березово-разнотравный Пл2 С11 Раменский р-он, д. Аринино

49 Ельник сложный разнотравный ПД2СС Истринский р-он, 5 км от г.Истра

50 Елово-березово-осиново-разнотравный Пд2 ЛС Одинцовский р-он, М.Вяземы

51 Елово-березово-осиново-разнотравно-сньгтевый Л] лс Наро-фоминский р-он, п Жодючи

Осиповые леса

5 Осинник разнотравный ПД1 сс Ступинский р-он, п. Малино

12 Осиново-осоково-разнотравный ПД1 СП Серпуховский р-он, ПТБЗ, 4 квартал.

20 Осинник разнотравно-снытиевый ПД1 сп Серпуховский р-он, с. Райсеменовское

Березовые леса

3 Березняк разнотравный Л) сс Ступинский р-он, д. Попово

30 Березняк разнотравно-хвощевый ПД1 лс Подольский р-он, д. Романцево

33 Березняк разнотравный Пд2 сс Дмитровский р-он, д. Елизаветино

Условные обозначения: * ПД1 - дерново-слабоподзолистые, ПД2 - дерново-среднеподаолистые, Л| - светло-серые лесные; п - песчаные, сп - супесчаные, лс -легкосуглинистые, сс - среднесуглинистые.

Исследованные КУ характеризовали различные типы леса, объединяющие растительные сообщества, однородные по составу преобладающих видов и комплексу прямодействующих факторов среды (Сукачев, 1929). Почвенные условия исследованных типов леса отличаются достаточной вариабельностью характеристик (табл. 2). Таблица 2. Основные физико-химические характеристики гумусовых

горизонтов почв ключевых участков

РНводи. Сорг. (%) N064. (%) Сумма обменных катионов (мг-экв./100г) Содержание физической глины (%) Р2О5 (мг/100 г)

Минимум-максимум 4.3-6.6 1.2-6.7 0.05-0.4 0.7-19 12-41 0.4-32

Среднее 5.3 2.7 0.15 6.5 25 9

Коэффициент вариации (%) 9 44 57 69 35 85

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Полевые исследования проводились на ключевых участках в 20092011 гг. и включали в себя отбор проб снега и почв, выполнение геоботанических описаний. Образцы снега отбирались под пологом леса и на открытых участках (в «окнах») в конце марта 2009-2011 гг. Отбор проводился по стандартной методике (Глазовский и др., 1983; Василенко и др., 1985). Почвенно-геошмическое опробование гумусовых горизонтов проводились на тех же КУ в середине вегетационного сезона (июль - начало августа 2009-2011 гг.). Для анализа динамики минеральных соединений азота в лесных почвах в период вегетации дополнительно проводились мониторинговые исследования на 4-х участках в Приокско-Террасном заповеднике. Для каждого КУ составлялся полный флористический список растений. В ходе полевых исследований отобрано 163 пробы почв и 56 проб снега, выполнено 22 геоботанических описания.

Химико-аналитические исследования включали определение концентраций обменного аммония (N-NH4) и нитратов (N-N03) во всех почвенных и снежных пробах фотокалориметрическим методом с использованием фенолятгипохлоритной реакции в модификации В.Н. Кудеярова (Кудеяров, 1965, 1969, 1972). Кроме того, в почвенных образцах по стандартным методикам определялось общее содерясание азота (Hfiu)i содержание органического вещества (C,VT), рН (водный и солевой), гранулометрический состав и рад других показателей (Воробьева, 2006).

Обработка данных. Оценку экологического режима местообитаний проводили, используя флористические списки видов и балловые шкалы Д.Н. Цыганова (Цыганов, 1983) и Г. Элленберга (Ellenberg, 1991), по которым оценивали обеспеченность почв азотом и кислотность почв. Оценка по экологическим шкалам выполнена с использованием программы EcoScaleWin, разработанной в Институте математических проблем биологии РАН (Грохлина и др., 2006). Дополнительно оценивалось соотношение функциональных или эколого-ценотических групп видов (ЭЦГ) в составе напочвенного покрова КУ (Смирнов и др., 2006).

Проведена статистическая обработка массива полученных данных с помощью стандартных программ Excel. Анализ главных компонент выполнен с использованием пакета PCord 4.27 (McCune, Mefford, 1999).

Расчет величин критических нагрузок (КН), характеризующих максимально допустимый порог поступления поллютантов в экосистемы с атмосферными выпадениями, при котором сохраняются условия их нормального функционирования и видовая структура, выполняли по общепринятой методике (Nilsson, Grennfelt. 1989; UBA, 2004). Поскольку азот является элементом питания, а его минеральные соединения характеризуются кислотной направленностью действия, принято рассчитывать отдельно КН для эффектов эвтрофирования биоценозов (KH(Nnut)) и КН в отношении эффектов подкисления почв (КН(Ас)). При расчете КН используют статические модели биогеохимического масс-баланса, в которые включаются параметры, определяющие интенсивность долговременной иммобилизации азота в органическом веществе почв,

закрепление в продукции фитомассы, вымывание нитратов и др. Расчеты КН выполнялись для основных типов лесов Подмосковья с использованием процедур Монте-Карло (Припутина и др., 2012), что позволило учесть возможные сочетания климатических, геоморфологических и почвенно-растительных условий Подмосковья.

ГЛАВА 4. СОЕДИНЕНИЯ АЗОТА И ПИТАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Почвенно-экологические условия и питательный режим лесов Подмосковья, характеризующий их обеспеченность азотом и другими элементами питания растений, определяются совокупным влиянием многих факторов, включая антропогенные.

4.1. Поступление минеральных соединений азота с атмосферными выпадениями. В пробах снега, отобранных нами на КУ, уровень концентраций Ы-Ы03 изменялся от 0.1 до 2.3 мг №л, составляя для большей части выборки 0.5-1.0 мг Ы/л. Концентрации Ы-ИН4 были сопоставимы, но чуть ниже; в среднем 0.2-0.5 мг Мл. На открытых участках и в лиственных типах леса в снеге преобладают нитратные формы азота (рис. 1), что может рассматриваться как влияние техногенных источников эмиссии Ж)х.

Рис. 1. Содержание минеральных форм азота в снеговых водах

Суммарное содержание минерального азота в снеге для большего числа КУ соответствует 0.5-1.0 мг М/л. Повышенные уровни концентраций ( >1 мг Ы/л) характерны для ключевых участков (№ 26, 30, 31, 33, 38, 40, 42), расположенных в зоне воздушного переноса поллютантов от столичной агломерации и вблизи промышленных центров области (рис. 2).

Рис. 2. Распределение минеральных соединений азота в снеговых водах Депонированные в снеге соединения азота могут рассматриваться как показатель обеспеченности растительности его доступными формами в начале вегетации, когда происходит внутрипочвенная фильтрация талых вод и формируется необходимый для древесной растительности запас почвенной влаги на глубине. Согласно литературным данным (ВоЫлпк е1 а!., 2002), при концентрации азота в почвенном растворе >0.4 мг И/л возможно сокращение числа олиготрофных видов в напочвенном покрове лесных фитоценозов, а концентрации >1 мг Ы/л могут быть причиной вытеснения кустарничковых видов более эвтрофными травами и осоками. Таким образом, во многих районах Подмосковья в лесах в начале вегетации концентрации азота в почвенном растворе могут превышать критические уровни для олиготрофных и ряда мезотрофных видов.

Рассчитанная на основе полученных данных атмосферная поставка азота в лесные экосистемы Подмосковья за зимний период составляет по нашим оценкам 0.5-2 кг И/га, что в пересчете на год соответствует 4-11 кг

Доля соединении в минеральном пупйа»птая .шеювой ипдо:

hnp.C-COIHO.HI )

0.5-1.6 ПДК

; Концентрации шедимпнийампа в 5. снеговой воде (мг/л}:

Ж | М-2,0 ПДК ПДК =0,04 ш/ МЗ

Ы/га. Суммарное поступление азота с атмосферными выпадениями определяется в большей степени вкладом нитратных форм, чем аммонийных.

4.2. Почвенно-экологические условия и азотный режим лесных почв Подмосковья. Пространственное распределение азота в исследованных лесных почвах сильно варьирует. Его общее содержание в гумусовых горизонтах изменяется от 0.05 до 0.4%, составляя в среднем 0.10.2%, что типично для большинства лесных почв умеренно-бореальной зоны. Концентрации минеральных форм азота в период опробования соответствовали 5-23 мг К/кг, а их доля в суммарном пуле азота изменялась от 0.3-0.5 до 2-2.3%. Для большинства участков было характерно преобладание обменного аммония над нитратами (рис. 3), что согласуется с литературными данными о преобладании процессов аммонификации в лесных почвах. В почвах нескольких участков (КУ 11, 25, 26, 14, 31, 38) в минеральном пуле азота преобладали нитраты, что может объясняться как почвенно-климатическими условиями середины вегетационного сезона, так и влиянием повышенной поставки азота (рис. 1).

Рис. 5. Распределение концентраций минеральных форм азота в почвах КУ (условные обозначения см. рис. 1) К числу показателей, отражающих интенсивность минерализации органического вещества и доступность азота, относят соотношение С/Ы в почвах (Орлов и др., 1996). Согласно (Бе Упеэ й а1., 2011), при 20<С/Ы<35 для почв характерна умеренно-продолжительная иммобилизация азота, ограничивающая почвенный пул минерального азота, а при 10<С/Ы<20 -лишь краткосрочная иммобилизация, при которой доступность азота

повышается. Для исследованных нами почв характерен широкий диапазон величин С/Ы и прослеживается тенденция их обратной корреляции с концентрациями минерального азота при значениях С/К, соответствующих краткосрочной иммобилизации (рис. 4А).

| ,0 X

1 15

.............. ♦..............

♦% А

0 10 20 30

Соотношение С/И в гумусовом горизонте

25 20

£ 15 О

♦ ф

2 4 6 8

рН водный

Рис. 4. А) Соотношение СПЯ и концентраций минерального азота в почвах

Б) Соотношение рН и концентраций минерального азота в почвах (условные обозначения типов леса см. рис. 1)

Условия произрастания лесной растительности, как известно, во многом определяются кислотностью почв, которая в исследованных почвах изменялась от 4.3 до 6.6, т.е. преобладали слабокислые условия среды. Прослеживается обратная зависимость между значениями рН почв и содержанием в них минеральных соединений азота (рис. 4Б).

Сезонная динамика минеральных соединений азота в почвах ПТБЗ. Данные почвенно-геохимического мониторинга на участках с разным древостоем и напочвенным растительным покровом свидетельствуют о наличии в гумусовых горизонтах лесных почв легкодоступных минеральных соединений азота в течение всей вегетации; суммарные концентрации соответствуют 10-20 мг К/кг (рис. 5). Соотношение нитратных и аммонийных форм в суммарном пуле минерального азота отличалось высокой вариабельностью по срокам опробования и между различными фитоценозами. Отмечено преобладание N-N03 в почвах всех участков ПТБЗ в середине вегетационного сезона. Полученные данные свидетельствуют о сокращении почвенного пула минерального азота к концу вегетации. Учитывая легкий гранулометрический состав почв ПТБЗ и увеличение

количества осадков в осенний период, данное снижение может объясняться вымыванием нитратов в нижележащие слои почв и грунтовые воды.

гумусовых горизонтах почв ПТБЗ под разными типами древостоев

4.3. Характеристика экологических условий лесных экосистем Подмосковья на основе данных фитоиндикации. Оценки питательного режима лесных почв в геоботанике и лесоводстве выполняются на основе анализа видового состава напочвенного растительного покрова. Для этих целей используют данные анализа ЭЦГ (Ханина и др., 2003) или уже упоминавшиеся шкалы богатства почв азотом и кислотности почв Д.Н. Цыганова, Г. Элленберга и др. Согласно составленным спискам видов, на 18-ти из 22-х исследованных нами КУ присутствовали нитрофильные виды, требовательные к азотному питанию (рис. 6).

Оценки местообитаний по шкалам богатства почв азотом показывают, что большинство рассмотренных КУ могут быть отнесены к местообитаниям, достаточно обеспеченным азотом (рис. 7); результаты оценок, полученные с использованием шкал Д.Н. Цыганова и Г. Элленберга, имеют лишь небольшие расхождения. Число КУ, которые характеризуются как бедные и

очень бедные азотом, ограничено (2-4 в зависимости от использованной шкалы).

► ельники шсосняки Л березняки ¿.осинники

Л........♦

О 5 10 15 _ 20

Общее число видов сосудистых растении на ключевом участке

Рис. 6. Соотношение общего числа видов и видов нитрофильной ЭЦГ Минимальный балл оценки соответствует сосняку зеленомошнику на дерново-слабоподзолистых песчаных почвах (КУ-42), расположенному в Мещерской части Подмосковья. Максимальный балл богатства почв азотом соответствует сосняку разнотравному (КУ-31), расположенному в районе г. Мытищи в зоне атмосферного переноса N0* от столичной агломерации (рис.7). Напочвенный покров этого участка представлен ограниченным числом видов (4 вида). Этому же участку по данным снегосъемки соответствует высокое поступление азота с атмосферными выпадениями; концентрация минерального азота в талых снеговых водах - около 2 мг N7л.

Ш О -г-—,-----:--1 г---т---------------,-------г......1.1--:---1--.-----------------г-*-Г-............•---.

в 33 14 16 19 38 40 49 50 51 1 11 25 26 31 42 3 33 30 5 12 20 Ельники Сосняки Березняки Осинники

& Оценка местообитания ■ Минимальный балл $ Максимальный балл

Рис. 7. Результаты оценки ключевых участков по богатству почв азотом на основе экологической шкалы Д. Цыганова (числа на графике - номера КУ)

ГЛАВА 5. ТЕХНОГЕННАЯ ЭМИССИЯ N0 х КАК ФАКТОР ВЛИЯНИЯ НА ПОЧВЕННО-ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДИНАМИКУ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПОДМОСКОВЬЯ

5.1. Анализ зависимости почвенно-фитоценотических показателей от условий атмосферной поставки азота. Многообразие процессов, регулирующих цикл азота, влияет на характер возможных связей между поступлением его минеральных форм с атмосферными выпадениями и почвенно-флористическими показателями, отражающими азотный статус лесных экосистем. Анализ зависимости показателей балловой оценки обеспеченности фигоцеиозов почвенным азотом по экологическим шкалам от концентраций минеральных форм азота в снеге и в почвах выявил обратную корреляцию балловых оценок с содержанием N-N144 (г = -0,44 для снега и -0,57 для почв, р < 0.05) (рис. 8).

«3 ф 2 ж о

► Л <

Р1-РЖ4, мг/ кг

Рис. 8. Соотношение концентраций обменного аммония в почве и баллов обеспеченности почвенным азотом по шкале Д. Н. Цыганова (условные обозначения типов леса см. рис. I)

Данные анализа флористического состава КУ по шкале Д.Н. Цыганова показывают, что для хвойных фитоценозов с повышенной атмосферной поставкой азота (концентрации в снеге >1 мг К/л) характерно отсутствие олиготрофных видов бореальной флоры, типичной для местообитаний с очень низким содержанием азота (рис. 9). Это согласуется с литературными данными о характере влияния атмосферной поставки азота на видовую структуру напочвенного покрова лесов (Бе Ч'пеэ е1 а1., 2007).

► Сосняки I Ельники

к ш

а °

5 -с

га —г

« X.

! «

5 03

1,0 1,5 2,0

Ммин, мг/л

Рис. 9. Соотношение параметров атмосферной поставки азота и видов напочвенного покрова, наименее требовательных к азотному питанию

Результаты анализа главных компонент подтверждают наличие

корреляционных связей между почвенно-фитоценотическими показателями и

условиями атмосферной поставки азота на территории Подмосковья (рис.10).

Ось1

Рис. 10. Ординация КУ методом главных компонент (ЫН4, N0] ~ содержание аммония и нитратов в атмосферных осадках; КЕ1- балл по шкале богатства почв азотом Г. Элленберга, № - число видов нитрофилов)

Выделяются 3 группы биогеоценозов. В первую вошли экосистемы хвойных лесов, расположенные в восточной части области, для которых характерно преобладающее влияние аммонийных форм. Вторую, наиболее многочисленную группу, составили леса, для которых атмосферная поставка азота не является определяющим фактором экологических условий. Третья группа, выделенная по результатам анализа как экосистемы, испытывающие

влияние атмосферной поставки нитратов на почвенно-фитоценотические показатели, располагается в 20-30 километровой зоне атмосферного переноса поллютантов от столичной агломерации и вблизи промышленных центров области.

5.2. Анализ степени трансформации лесных экосистем в связи с техногенной эмиссией оксидов азота. Анализ азотного статуса исследованных лесных участков выполнялся на основе метода балльных оценок, когда экологическим эффектам, определяющим различные стадии трансформации природного цикла азота, присваиваются различные баллы

Стадия избытка

Стадия насыщения

Стадия иммобилизации

Рис. 11. Распределение балльных значений для экосистем КУ Согласно результатам анализа, наиболее вероятные изменения при сохранении существующего уровня атмосферной поставки азота или увеличении нагрузок могут произойти в сосновых лесах с преобладанием в напочвенном покрове олиготрофных видов боровой флоры и в мелколиственных лесах с высокой долей лугово-опушечных видов. Их экологическое состояние и азотный статус соответствуют стадии насыщения (балл 7-8). Меньшие изменения в структуре напочвенного растительного покрова прогнозируются для различных типов ельников. Наименее вероятны изменения в структуре напочвенного покрова для мелколиственных и хвойно-широколиственных лесов с преобладанием в напочвенном покрове неморальных видов.

(рис. 11).

ельники Ш сосняки И березняки |Я осинники

19 8 16 5 20 14 25 11 13 12 1 49 50 3 26 42 30 40 31 33 51 38 Номер ключевого участка

Концентрации азота в атмосферных выпадениях по группам леса: 1 - 0,2-0,4 мгМ/л; 2 - 0,4-1 мгМ/л; 3- 1-2 мгГ\1/л

5.3. Экологически допустимые уровни поступления азота в лесные экосистемы Подмосковья: модельные расчеты. Выполненные нами вероятностные расчеты КН эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота (КН(НШ,) и КН(Ас)) позволили оценить диапазоны допустимого поступления азота с атмосферными выпадениями для основных типов лесов Подмосковья. Результаты расчетов КН сравнивались с данными атмосферной поставки азота для лесов схожего флористического состава, полученными на основе снегосъемки (табл. 3). Рассчитанные средние показатели величин КН(Ас) были выше аналогичных показателей КН(Ы„т). При отсутствии в воздушной среде высоких концентраций других поллютантов кислотного действия, можно прогнозировать, что нарушения экологического состояния лесов Московской области при повышенной азотной нагрузке будут связаны с процессами эвтрофирования.

Таблица 3. Поступление азота в экосистемы ключевых участков и распределение вероятных значений КН эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота для соответствующих модельных групп лесов

Тип леса КН(Ас) КП(КП,„) Уровень выпадений азота (№ ключевого участка)

Мт-Мах (экв./га в год)

экв./га в год кг/га в год

1. Сосняки зеленомошные 382 95-636 377 227-544 280-340 (КУ-42) <5

2. Сосняки и сосняки сложные разнотравные 659 341-1004 503 367-676 90-120 (КУ-1, 11) 230-420 (КУ-25,26) 460-580 (КУ-31)* <6 6.5-8.5*

3. Ельники и ельники сложные кустарничково-зеленомошные и разнотравно-зеленомошные 1102 577-1720 456 306-644 70-120 (КУ-3,8,13) 320-400 (КУ-40) 520-650 (КУ-38)* <5 7.5-9.5*

4. Ельники и ельники сложные разнотравные и осоково-разнотравные 675 227-1131 515 255-918 70-260 (КУ-14,16,19,49,50,51) <4

5. Мелколиственные (березовые и осиновые) разнотравные и осоково-разнотравные 836 529-1150 507 317-748 80-350 (КУ-20,30) 420-530 (КУ-33) <5 6-8

6. Лиственные (с липой и дубом) осоково-разнотравные 1139 647-1747 675 416-1022 150-400 (КУ-5,12) <5.5

*выделепы участки с превышением средних значений КН(Х„и()

Согласно полученным данным, для большинства исследованных лесов существующий уровень поступления азота находится в пределах или ниже рассчитанных интервалов КН(Ыпи!). Для сосняка разнотравного вблизи г. Мытищи (КУ 31), ельника разнотравно-зеленомошного (КУ 38) в Раменском районе и березняка разнотравного (КУ 33) в 20 км к северу от столицы существующий уровень поступления азота соответствует рассчитанным критически нагрузкам. Сравнение результатов балльной оценки азотного статуса лесов и превышений КН позволило выделить районы Подмосковья, где дальнейший рост эмиссии N0* и, соответственно, повышение атмосферной поставки азота могут стать причиной изменений биоразнообразия лесов и привести к другим нарушениям азотного цикла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Результаты выполненного исследования показали, что техногенная эмиссия ЫОх, определяющая повышенные уровни поступления азота с атмосферными выпадениями во многих районах Московской области, оказывает влияние на условия функционирования лесов Подмосковья. Полученные данные позволяют сформулировать следующие выводы:

1. В составе минеральных форм азота, поступающих в лесные экосистемы Подмосковья с атмосферными выпадениями, как правило, преобладают нитраты, являющиеся продуктом трансформации в воздушной среде техногенных N0*. Суммарные концентрации азота в талых снеговых водах могут составлять более 1 мг Ы/л, что превышает критические уровни для олиготрофных видов бореалыюй флоры, типичной для многих типов лесов Подмосковья.

2. Атмосферная поставка азота в леса Московской области, соответствующая, согласно выполненным оценкам, 4-11 кг Ы/га в год, пространственно дифференцирована. Повышенные уровни выпадений азота характерны для зоны атмосферного переноса поллютантов от столичной агломерации и промышленных центров области.

3. Полученные данные свидетельствуют о наличии в исследованных лесных почвах в течение всей вегетации доступного растениям пула

минеральных соединений азота, соответствующего суммарным концентрациям в верхнем гумусовом горизонте 5-23 мг N/кг. В зависимости от сочетания почвенно-биоценотических и погодно-климатических условий возможно кратковременное повышение концентраций до 30-50 мг N/кг и выше, что может вести к потерям азота из экосистем в результате денитрификации или вымывания нитратов.

4. Оценки питательного режима лесных биогеоценозов Подмосковья на основе эколого-ценотических шкал свидетельствуют о достаточной обеспеченности азотом почв сосняков и мелколиственных лесов. Для лесов с доминированием ели характерна большая дифференциация условий азотного питания (от бедных до богатых азотом почв).

5. Согласно проведенному анализу, долговременное воздействие повышенных атмосферных нагрузок азота на лесные экосистемы Подмосковья определяет преимущественно развитие процессов эвтрофикации, в том числе, может быть причиной изменений видового состава напочвенного покрова в хвойных лесах с доминированием бореальных кустарничков и трав.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ

1. Аверкнева И.Ю., Припутана И.В. Оценка влияния техногенной эмиссии NO* на питательный режим лесных биогеоценозов Подмосковья 1/Вестник Костромского государственного университета im.

H.A. Некрасова. 2011, т. 17, № 3,- С. 51-57.

2. Припутина И.В., Аверкиева И.Ю., Танканаг A.B. Применение метода Монте-Карло в оценках допустимых воздействий атмосферных поллютантов на лесные экосистемы ИМатематическая биология и биоинформатика. 2012, том 7, выпуск 1. С. 322-333. (Электронный ресурс: http://w\vw.matbio.org/article.php?journ_id=13&id=114)

3. Аверкиева И.Ю. Анализ трансформации лесных экосистем Подмосковья в связи с воздействием техногенных соединений азота на основе метода балльных оценок //Вестник Брянского государственного университета. 2012. т. 2. №4. - С. 96-101.

В других изданиях

I. Припутина И.В., Аверкиева ILIO. Экологическое обоснование техногенных нагрузок эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота на лесные экосистемы

Европейской России // Принципы и способы сохранения биоразнообразия: Материалы 3-й Всерос. научной конф. Йошкар-Ола; Пущино, 2008. - С. 481-483.

2. Аверкиева ИЛО. Учет почвепно-геохимических критериев при оценке устойчивости экосистем к воздействию техногенных соединений азота //Материалы Всерое. научной конф. XII Докучаевские молодежные чтения «Почвы и почвенная безопасность России». СПб: Издательский дом С.-Петербургского университета, 2009. С. 184-185.

3. Аверкиева ИГО. Оценка состояния лесных экосистем Подмосковья в связи с повышенным уровнем техногенной эмиссии оксидов азота //Актуальные проблемы биологии и экологии. Материалы докладов XVII Всерос. молодежной научной конф. Сыктывкар, 2010. -С.136-138.

4. Аверкиева И.Ю. Оценка экологических рисков воздействий антропогенной эмиссии NOx на функционирование лесных экосистем (на примере Московской области) //Актуальные проблемы ботаники и экологии. Материалы межд. конф. молодых ученых. Симферополь: ВД «АРИАЛ», 2010. - С. 156-157.

5. Averkieva I., Priputina I. Impact of landscape factors and anthropogenic emission on reactive nitrogen accumulation in forests of Central Russia //European Geosciences Union General Assembly 2011, Vienna, Austria, 2011. - P. 457.

6. Аверкиева И.Ю., Припутана И.В. Устойчивость лесных экосистем Московской области к воздействию NOx: вероятностные оценки. Материалы 2-й конф. "Математическое моделирование в экологии", Пущино, 2011. - С. 20-22.

7. Припутана И.В. Аверкиева И.Ю. Оценка азотного статуса лесных почв Подмосковья в связи с влиянием природных и техногенных факторов //Экологические функции лесных почв в естественных и нарушенных ландшафтах. Часть 1. Материалы IV Всерос. научной конф. с международным участием. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2011. - С. 118-122.

8. Аверкиева И.Ю. Оценка влияния техногенной эмиссии оксидов азота на трофический статус и видовую структуру лесных Экосистем Московской области. Тезисы докладов Межд. Ботанической конференции мол. ученых в Санкт-Петербурге. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. - С.118.

Подписано в печать:

17.04.2013

Заказ № 8368 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1,5усл.п.л. Типография «11 -й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Аверкиева, Ирина Юрьевна, Пущино

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения

Российской академии наук

На правах рукописи

04201357543

Аверкиева Ирина Юрьевна

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА НА ПОЧВЕННО - ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: кандидат географических наук, доцент Припутина Ирина Владимировна

Пущино 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Техногенная эмиссия оксидов азота и проблемы нарушения

естественного биогеохимического цикла азота в лесных экосистемах... д

1.1. Особенности биогеохимического цикла азота в лесных экосистемах..............................................................................................................................................9

1.2. Техногенная эмиссия >ЮХ как источник дополнительной поставки минеральных соединений азота в экосистемы................................14

1.2.1. Анализ особенностей и динамики техногенной эмиссии

азота в Московской области..............................................................................................16

1.3. Экологические последствия повышенного поступления азота в лесные экосистемы 18

1.3.1. Эффекты «эвтрофирования»............................................................................21

1.3.2. Эффекты «подкисления»....................................................................................26

1.4. Устойчивость лесных биогеоценозов к воздействию техногенных соединений азота............................................................................................28

1.4.1. Биогеохимические принципы количественной оценки

устойчивости экосистем........................................................................................................30

ГЛАВА 2. Объекты исследования....................................................................................................33

2.1. Характеристика лесных экосистем Московской области..................33

2.1.1. Почвенно-растительные условия............... ....................................33

2.1.2. Климатические условия.................... ..................................................40

2.2. Характеристика ключевых участков................ ....................................41

ГЛАВА 3. Материалы и методы исследования..................................................................45

3.1.Полевые исследования....................... ........................................................45

3.2. Методика химических анализов.................. ......................................47

3.3. Анализ данных и их статистическая обработка..........................................48

3.4. Оценка устойчивости лесных экосистем Подмосковья на ^ основе методологии Критических нагрузок..............................

ГЛАВА 4. Соединения азота и питательный режим лесных

биогеоценозов Московской области..............................................................................................56

4.1. Поступление минеральных соединений азота с атмосферными выпадениями..........................................................................................................................................56

4.2. Почвенно-экологические условия и азотный режим лесных

почв Подмосковья............................................................. 60

4.2.1. Соединения азота и основные почвенно-экологические показатели в почвах ключевых участков.............................. 60

4.2.2. Динамика минеральных соединений азота в течение вегетационного сезона...................................................... 67

4.3. Характеристика экологических условий лесных экосистем Подмосковья на основе данных фитоиндикации........................ 72

ГЛАВА 5. Техногенная эмиссия ]ЧЮХ как фактор влияния на почвенно-фитоценотические характеристики и динамику лесных экосистем Подмосковья........................................................................... 78

5.1. Анализ зависимости почвенно-фитоценотических показателей

от условий атмосферной поставки азота.................................... 78

5.2. Анализ степени трансформации лесных экосистем в связи с техногенной эмиссией оксидов азота........................................ 85

5.3. Экологически допустимые уровни поступления азота в лесные ££ экосистемы Подмосковья: модельные расчеты...........................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ....................................................... 94

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 96

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 114

ВВЕДЕНИЕ

Хозяйственная деятельность человека, преобразуя абиотические факторы среды обитания живых организмов, изменяет условия функционирования природных экосистем и определяет новые тренды в их развитии. Серьезные антропогенные преобразования биосферы связаны с загрязнением воздушной среды, к числу приоритетных поллютантов которой относятся оксиды азота (NOx). Их поступление в атмосферу происходит в основном в результате эмиссии промышленных предприятий и транспорта. Техногенные NOx относительно быстро выводятся из воздушной миграции, поступая на земную поверхность с осадками и за счет сухого осаждения преимущественно в форме нитратных соединений, которые активно включаются в биотический круговорот и существенно трансформируют многие его процессы.

Воздействие NOx не ограничивается промышленно-урбанизированными территориями, а затрагивает значительные площади, занятые природными экосистемами. В зарубежных публикациях последних лет уделяется большое внимание экологическим проблемам, связанным с последствиями повышенного поступления техногенных соединений азота в лесные биогеоценозы (Bobbink et al., 1998, 2003; Sutton et al., 2011). В нашей стране подобные исследования не получили широкого распространения, хотя во многих регионах России отмечается высокий уровень загрязнения воздушной среды NOx (Государственный доклад.., 2009). В их числе - Московская область, лесные экосистемы которой играют важнейшую роль в обеспечении экологического благополучия столичного региона.

Сохранение биоразнообразия лесов Подмосковья, их экологических, рекреационных, водоохранных и других функций, имеет особую актуальность в связи с тенденцией роста техногенных нагрузок азота в Центральном регионе. Все вышеизложенное определило выбор темы данной

диссертационной работы, объектов исследования и комплекса использованных нами методов.

В соответствии с поставленной целью, объектами исследования в данной работе были лесные биогеоценозы Подмосковья, рассматриваемые нами как совокупность растительных сообществ и среды их обитания. Предметом исследования являются условия функционирования лесов центра Европейской России, выражаемые через эколого-ценотические, почвенные и ландшафтно-геохимические показатели. Анализ зависимостей между этими показателями может быть основой для математической формализации процессов трансформации азотного цикла и моделирования динамики лесных экосистем при разных сценариях антропогенных изменений окружающей среды.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. На основе анализа литературы определить набор показателей/индикаторных критериев, отражающих условия обеспеченности лесных экосистем азотом, как важнейшим элементом питания, и характеризующих степень возможной трансформации азотного цикла в лесных биогеоценозах в результате воздействий, связанных с техногенной эмиссией N0,;.

3. На примере ключевых участков определить особенности флористического состава и эколого-ценотические условия, характерные для основных групп типов леса Московской области, а также почвенно-геохимические характеристики, отражающие их экологическое состояние и

условия азотного питания в зависимости от сочетания природно-техногенных факторов и сезонной динамики.

Научная новизна полученных результатов. Для лесных биогеоценозов Московской области впервые проведены сопряженные исследования почвенно-экологических и фитоценотических показателей, характеризующих обеспеченность лесов Подмосковья основным элементом питания - азотом. Оценено влияние природных и техногенных факторов на эти показатели. Впервые определены параметры пула минеральных соединений азота (ТЧ-МН4обм и N-N03) в корнеобитаемом слое лесных почв центра Европейской России в течение периода вегетации при разном сочетании погодно-климатических условий. Выполнены оценки критических нагрузок эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота, соответствующих экологически безопасным уровням поступления азота в различные типы лесных экосистем, при которых сохраняются оптимальные экологические условия их функционирования и видовое разнообразие фитоценозов.

Практическая значимость диссертационной работы. Результаты выполненного исследования могут быть использованы природоохранными и лесными службами Московской области для анализа и прогноза экологического состояния лесов Подмосковья в связи с развитием столичного региона. В частности, предлагаемые критерии оценки и динамики азотного статуса лесных экосистем могут быть использованы в рамках экологической экспертизы проектов развития столичного региона. Предложенный в работе метод анализа экологического состояния лесных экосистем может быть применен для других территорий Центра Европейской России.

Декларация личного участия автора. Все полевые исследования и большая часть химико-аналитических работ выполнены лично или при непосредственном участии автора. Им выполнены детальные описания лесной растительности на всех ключевых участках (далее КУ) и проведена статистическая обработка геоботанических данных. В течение 2-х вегетационных сезонов 2010-2011 гг. с частотой 1 раз в 2 недели проведены мониторинговые исследования динамики минеральных соединений азота в почвах Приокско-Террасного государственного природного биосферного заповедника (далее ПТБЗ). Все приведенные в тексте диссертационной работы таблицы и рисунки без указания ссылок составлены по материалам автора.

Материалы диссертации были представлены на 14 конференциях: Конференция молодых ученых «Ломоносов-2008» (Москва, 2008), Пущинская международная школа-конференция молодых ученых «Биология-наука XXI века» (Пущино, 2008, 2010); 3-я Всероссийская конференция «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Пущино, 2008); Всероссийская конференция "Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям" (Москва, 2008); Конференция с международным участием «Почвы и почвенная безопасность России» (Санкт - Петербург, 2009); Конференция «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2009, 2011); Всероссийская молодежная научная конференция "Актуальные проблемы биологии и экологии" (Сыктывкар, 2010); Международная конференция молодых ученых «Актуальные проблемы ботаники и экологии» (Украина, Ялта, 2010); Международная конференция "European Geosciences Union General Assembly 2011" (Vienna, Austria, 2011); Всероссийская научная конференция с международным участием по лесному почвоведению (Апатиты, 2011), Международная конференция «Multidisciplinary academic research 2012» (Prague, Czech Republic, 2012) .

По теме диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 10 работ в сборниках и материалах конференций и 5 в сборниках тезисов.

На разных этапах выполнения исследований по данной теме работа поддерживалась грантами РФФИ (№№ 09-04-01209, 12-04-31795), а также грантом Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере "УМНИК-2010". Автор выражает благодарность за предоставленную финансовую поддержку.

Автор выражает благодарности своему научному руководителю к.г.н., доценту И.В. Припутиной; заведующему лабораторией, профессору A.C. Комарову и всем сотрудникам лаборатории моделирования экосистем ИФХиБПП РАН за оказанное внимание и помощь в работе; заведующему лабораторией, д.б.н. Д.Л. Пинскому и сотрудникам лаборатории физико -химии почв ИФХиБПП РАН за помощь в проведении химико-аналитических исследований; а также ведущему инженеру лаборатории функциональной экологии ИФПБ РАН В.П.Смирновой за помощь в проведении химических анализов; к.б.н., с.н.с. ИБФК РАН А.В.Танканаг за помощь в проведении расчетов величин критических нагрузок, руководству Приокско-Террасного государственного природного биосферного заповедника за предоставленную возможность проведения мониторинговых исследований на территории заповедника.

ГЛАВА 1

Техногенная эмиссия оксидов азота и проблемы нарушения естественного биогеохимического цикла азота в лесных экосистемах

1.1. Особенности биогеохимического цикла азота в лесных экосистемах

Азот является одним из важнейших биогенных элементов, участвующих в обеспечении множества функций биосферы и экосистем: создании биомассы, биохимического состава живых организмов, элемент питания автотрофов и гетеротрофов, эдафический фактор регуляции состава, численности и активности микробо- и фитоценозов. По распространенности в ряду биофильных элементов он занимает 4-е место после углерода, кислорода и водорода. Биофильность азота - отношение его содержания в биомассе растений к кларку литосферы - очень высокая, порядка п*104. В связи с этим биогеохимический цикл азота относиться к числу основных в биосфере.

Роль азота в природном биогеохимическом круговороте веществ как одного из основных биогенных элементов, ответственных за продукционный процесс, освещена во многих отечественных и зарубежных публикациях (Пейве, 1961; Делвич, 1972; Кудеяров, 1976, 1989, 1999; Башкин, 1987, Башкин и др., 1993, Базилевич, 1993, Базилевич и др., 2002). Биологический смысл круговорота азота "состоит в том, что в ходе циклических превращений азота в биосфере непрерывно возникают и с разной длительностью присутствуют его разнообразные по составу соединения, позволяющие всем живым существам получать азот в предпочтительной для них форме" (Умаров и др., 2007, стр.18). В лесных экосистемах биогеохимический круговорот азота достаточно сложен и включает в себя комплекс ландшафтно-геохимических и микробиологических процессов. Упрощенная модель биогеохимического цикла азота в лесных экосистемах представлена на рисунке 1.

Весь азот, доступный наземной биоте, первоначально получен в

результате фиксации за счет грозовых разрядов, либо свободноживущими

или симбиотическими микроорганизмами. В результате грозовых разрядов может поступать до 5-10 кг Ы/га в год (Добровольский и др., 2003), но только небольшая часть азота, фиксированного при грозовых разрядах, попадает в наземные экосистемы. Атмосферные осадки также содержат азот, который был фиксирован в предыдущие годы и циркулирует в атмосфере.

Рисунок 1. Биогеохимический круговорот азота в лесных экосистемах

Биологическая азотфиксация это естественный процесс фиксации молекулярного азота за счет диазотрофов (таких как АпаЪаепа и Rhizobium), который остается основным элементом, управляющим продуктивностью большинства естественных лесных экосистем (Slem, Seiler, 1984; DeLuca, 2009). В результате азотофиксации ежегодно в почву из атмосферы может поступать 20-30 кг N/ra (Добровольский и др., 2003). По другим данным, биологическая фиксация азота на суше позволяет получить наземным экосистемам в среднем 10 кг N/ra в год; из них за счет несимбиотической фиксации азота микроорганизмами - 1-5 кг/га в год, а остальное за счет симбиотической фиксации (Rosswall, 1982; Minami, 1997). По данным Шлезенгера (Schlesinger, 1992) биотическая фиксация выше абиотической, а величины азотной фиксации в целом во внутрипочвенном круговороте

составляют около 12% азота, который может быть доступным растениям каждый год. Недостающий азот должен быть получен при участии микроорганизмов из внешнего круговорота и за счет разложения отмершего органического материала в почвах. Для бореальных лесов Европы и Северной Америки автотрофная азотфиксация оценивается в 1-2 кг К/га (Втк1еу а1., 1995; С11арш8-Ьагс1у е! а1., 2007). Отечественными исследователями (Разгулин, Степанов, 2009; Разгулин, 2010), для березняков южной тайги на дерново-подзолистых почвах получены схожие показатели азотфиксации за вегетационный сезон. Естественный процесс азотфиксации сильно нарушен антропогенным процессом фиксации азота. В результате антропогенной фиксации увеличивается поступление соединений азота в естественные экосистемы, что приводит к изменению их трофического статуса (Умаров и др., 2007; Мо1зег, 1994; Мо1зег ег а1., 2004).

Закрепление азота в растительной биомассе заключается в

ассимиляции растениями доступных форм азота, прежде всего N-N114 и №

ЫОз. Доступный азот вовлекается в биогеохимический круговорот

растущими деревьями

Информация о работе

Аверкиева, Ирина Юрьевна
кандидата биологических наук
Пущино, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Влияние техногенной эмиссии оксидов азота на почвенно-экологические и фитоценотические условия лесных экосистем Московской области - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы