Введение к работе
Актуальность проблемы. Стабильность циклирования элементе» питания з лесных биогеоценозах является основной предпосылкой их длительного существования. Продолжительное систематическое изменение действия любого средообразующего фактора и появление новых факторов неизбежно приведет к изменению параметров динамики органического вещества и круговорота минеральных элементов, смене доминирующих видов - продуцентов органического вещества, и значит, к новому состоянию биогеоценоза.
В последние десятилетия отмечаются серьезные нарушения функционирования лесов. Лесные шгаентаризации выявили большие территории с поврежденными лесами в наиболее промышленко развитых регионах Земного шара: Центральной Европе, Северной Америке, Скандинавии.
Повреждения лесов часто езязывают с нарушением циклирования минеральных элементов:
- проявляется дефицит элементов питания (Ulrich, 1975; Rehfuess, 1983; HuettJ,
'1985,1992,1993; Huettl, Fink, І991; Huettl, Hunter, 19S2; Huettl, ZoettI, 1993);
тяжелые металлы приобретают более высокую степень подвижности, становясь более доступными для растений (Hutchinson and Whitby, 1977; Lobersii and Steines, 1987; Чертов, Лянгузова, 1990; Никонов и др., 1993 и др.; Лукина, Никонов, 1993);
изменяется кислотность почз (Ulrich, 1986; Hallbacken, Tamm, 1986; Falkengren-Grerup, 1987; Rehfuess, 1989; Huettl, 1992; Chertov et.al., 1993; Никонов, Лукина, 1994; Лукина, Никонов, 1995);
увеличивается подвижность и токсичность алюминия (Ulrich etal., 1980; Bache, 1986;Rossdandet.al., 1990 и др.);
наблюдается дисбаланс в поглощении элементов питания лесными растениями (Hutchinson and Whitby, 1974; Jackson and Watson, 1977; Huettl, 1985, 1993; Lobersli and Steines, 1987; Лянгузова, Чертов, 1990; Huettl, Fink, 1991; Raitio, 1992; Лукина, Никонов, 1992,1993).
Существуют многочисленные гипотезы, объясняющие причины этих нарушений. Основными причинами являются: кислые дожди и закисление почз; прямое влияние SOz и NO*; влияние озона; природные неблагоприятные факторы; лесоводственная практика. Очевидно, что практически всегда повреждения лесов на больших территориях ке могут быть вызваны только одной причиной. Эта проблема - комплексная, вызванная многими факторами как антропогенного, так и природного происхождения.
Одним из важнейших факторов повреждения лесов в последнее время является промышленное воздушное загрязнение. Действие этого фактора может проявляться по-разному в зависимости от климатических изменений, особенностей местообитания и т.д. Таким образом, состояние лесных биогеоценозов в условиях промышленного воздушного загрязнения определяется спецификой природных условий, в которых они формируются и функционируют.
Леса Севера представляют значительную часть лесного фонда России. Выбор территории Кольского полуострова для проведения исследования
биогеохимических циклов минеральных элементов в лесах Севера определяется представленностью основных типов лесных биогеоценозов, свойственных Субарктике, и продолжительным действием промышленного воздушного загрязнения. Основными источниками загрязнений являются комбинаты медно-никелевого комплекса, преобладающими компонентами выбросов которых являются кислотообразующие агенты (соединения серы) и тяжелые металлы.
Таким образом, в настоящее время специфика циклирования минеральных элементов в лесах Севера определяется, с одной стороны, экстремальными природными условиями, с другой стороны, продолжительным и интенсивным действием антропогенного фактора.
Цель исследований. Изучение биогеохимических циклов минеральных элементов в лесах Севера в условиях промышленного воздушного загрязнения.
Задачи исследований. 1) выявление достоверно различающихся типов состояния лесных биогеоценозов Севера в условиях воздушного загрязнения; 2) изучение кислотности и состава атмосферных выпадений; 3) изучение внутрипочвенной водной миграции минеральных элементов; 4) исследование формирования кислотности доминирующих подзолистых Al-Fe-гумусовых почв; 5) изучение формирования питательного режима почв лесов Севера; 6) выявление особенностей поглощения элементов доминирующими видами растений лесных сообществ; 7) оценка параметров первичной продуктивности и биологической миграции минеральных элементов; 8) разработка подходов к диагностике состояния, мониторингу и оптимизации питательного режима лесов Севера.
Научная новизна. В условиях промышленного воздушного загрязнения выявлена закономерная зависимость динамики органического вещества и биогеохимических циклов минеральных элементов от типа состояния лесного биогеоценоза, определяемого как стадия его техногенной трансформации.
Обоснована целесообразность выделения основных типов состояния лесных биогеоценозов Севера: коренной (фоновый), дефолиированный, техногенное редколесье, техногенная пустошь. В дефолиированных типах, характеризующихся интенсивными процессами отмирания ассимилирующих органов древесных растений, а также выпадением зеленых мхов и лишайников, циклирование элементов-загрязнителей (сера, никель, медь), а также наиболее подвижных в растениях элементов (азот, фосфор, калий) активизируется, тогда как циклирование кальция, магния и марганца, напротив, замедляется. Техногенные редколесья отличаются резким снижением продуктивности и емкости круговорота минеральных элементов, высоким уровнем аккумуляции элементов-загрязнителей и обеднением корнеобитаемого пространства почв элементами питания. Для типа техногенная пустошь отмечается доминирование абиогенных элювиальных процессов.
Установлен нелинейный характер изменения параметров кислотности почв и циклирования минеральных элементов по отношению к расстоянию до источника загрязнения. Линии тренда описьтаются на основе уравнения параболы второго порядка у = ах2 + Ьх +с.
Сформулировано представление о формировании кислотности подзолистых Al-Fe-гумусозых почв в условиях промышленного воздушного загрязнения соединениями серы и тяжелых металлов. Рассмотрена роль биогенного
кислотообразования и кислотообразующих веществ, входящих в состав выбросов, в формировании кислотности почв.
Кислотность почв лесов Севера определяется типом биогеоценоза и парцеллы. Наиболее кислыми являются почвы еловых лесов. Кислотность ПОЧВ характеризуется достоверными парцеллярными различиями: в пределах биогеоценоза наиболее кислыми являются почвы древесных парцелл.
Интенсификация биогенного кислотообразования приводит к увеличению кислотности органогенного горизонта почв в дефолиированных типах биогеоценозов. В подстилках активизируется формирование фульвокислот, о чем свидетельствует сужение отношения Сгк:Сфк.
Затухание процессов биогенного кислотообразования определяет снижение кислотности органогенного горизонта почв в техногенных редколесьях и пустоши несмотря на высокий уровень выпадений кислотобразующих веществ из атмосферы. Возрастание кислотности атмосферных выпадений и уменьшение количества растительного опада приводят к уменьшению доли непщролизуемого остатка и фульвокислот. Доля гуминовых кислот увеличивается.
Возрастание кислотности минеральных горизонтов подзолистых Al-Fe-гумусовых почв в условиях промышленного воздушного загрязнения обусловлено активной миграцией органических кислот из верхнего органогенного горизонта, формированием гумуса из интенсивно отмирающих тонких корней и потоком кислотообразующих веществ нз атмосферы.
Дано представление о формировании питательного режима почв лессв Севера в условиях промышленного воздушного загрязнении. Изменение условий питания лесных растений выражено наиболее ярко в органогенном горизонте почв. Содержание доступных для растений соединений элементов питания з корнеобитаемых горизонтах почв определяется следующими прсцессаьаг. отмирания и минерализации растительного органического вещества; реакциями обмена основных катионов в почвенном поглощающем комплексе на протоны и катионы тяжелых металлов; выкоса элементов питания за пределы корнеобитаемого слоя почз; поглощения элемечтоз растеккяіии; поступления элементов с атмосферными осадками к их вымывания из растгггельного полога.
Сформулировано представление о формированші химического состава доминирующих видов лесных растений в условиях промышленного воздугяного загрязнения. Для сосны обыкновенной (Pirns syivestris L.) и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.), произрастающих на северном пределе распространевиг, установлены достоверные изменения химического состава хвои с. увеличением возраста, выражающиеся в ее обогащении Са, Ai, Fe, Мп, Za, S, Сг« и обеднении N. Р, К, Mg, Сезонная динам.чка химического состава хвои сосны и елл обусловлена фазой развития в годичном физиологическом цикле и параметрами питательного режима почв. В условиях воздушного загрязнения выбросами медно-кикелевьгх комбинатов доминирующие растения лесов Севера активно поглощают элемекты-загрязнители (сера, никель, медь, железо) и наиболее мобильные элементы (азот, фосфор, калий), интенсивности поглощения кальция, магния, марганца и цинка снижается.
Прзкгачгская значимость. Предложены подходы тс диагностике состокиия и мониторингу лесов Севера, включающие:
а) диагностику состояния древостоев хвойных лесов на основе оригинального
индекса, определяемого с учетом коэффициента дефолиации и возраста
асшмнлирующих органов хвойных пород;
б) определение продуктивности древостоев коренных и антропогенно
трансформированных хвойных лесов на основе уравнений регрессии типа log у = а
+ b log х с использованием полученных коэффициентов, где независимая
переменная х - oV%, а у - фракция фитомассы или продукции. Предлагаемый подход
позволяет рассчитать фитомассу и продукцию древостоев на основе информации о
количестве деревьев на площади и их диаметрах;
в) программу мониторинговых наблюдений.
Для поврежденных лесов предложены подходы і: оптимизации питательного режима почв путем внесения необходимых элементов питания (кальций, магний, марганец).
Защищаемые положения. 1. В условиях промышленного воздушного загрязнения динамика органического вещества и цшширование минеральных элементов определяются типом состояния лесного биогеоценоза, рассматриваемым как стадия его техногенной трансформации.
-
Изменение параметров кислотности почв и циклирования минеральных элементов носит нелинейный характер по отношению к расстоянию до источника загрязнения. Линии тренда описываются на основе уравнения параболы второго порядка.
-
Формирование кислотности подзолистых Al-Fe-гумусовых почв: роль биогенного кислотообразования и кислотообразуюшда веществ, входящих в состав выбросов.
-
Формирование питательного режима почв и химического состава растений лесов Севера в условиях промышленного воздушного загрязнения.
5. Подходы к диагностике состояния, мониторингу и оптимизации
питательного режима лесов Севера.
Апробация. Основные положения работы обсуждены на следующих международных, всесоюзных и российских совещаниях: "Продуктивность таежных биогеоценозов" (Красноярск, 1986), "Устойчивость и изменчивость геосистем как научная основа нормирования антропогенных нагрузок" (Москва, 1988), "Экология лесов Севера" (Сыктывкар, 1989), "Проблемы комплексного использования природных ресурсов Кольского полуострова" (Апатиты, 1989), VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), Symposium on Environmental Geochemistry in Northern Europe (Rovaniemi, Finland, 1989), Symposium "Effects of air pollutants and acidification in combination with climatic factors on forests, soils and waters in the northern Fennoscandia" (Rovaniemi, Finland, 1988), "Проблемы лесоведения и лесной экологии" (Минск, 1990), "Проблемы устойчивости биологических систем" (Севастополь, 1990), 2nd International Symposium on Environmental Geochemistry (Uppsala, Sweden, 1991), "Охрана лесных и рациональное использование лесных ресурсов" (Москва, 1991), "Эколого-географические проблемы сохранения и восстановления лесов Севера" (Архангельск, 1991), Symposium "Effects of air pollutants on terrestrial ecosystems in the border area between Russia and Norway" (Svanvik, Norway, 1992), "Проблемы оптимизации и использование растительности и растительных ресурсов на
Европейском Севере" (Архангельск, 1992), "Symposium on the State of the Environmental Monitoring in Northern Fennoscandia and the Kola Peninsula" (Rovaniemi, Finland, 1992), International Workshop on Neutron Activation Analyses in Environment (Dubna, Russia, 1992), the International Workshop: Aerial pollution in Kola Peninsula (St.Petersburg, 1992), CEC/IUERO Symposium "Nutrient uptake and cycling in forest ecosystem" (Ha'mstad, Sweden, 1993), "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов" (Москва, 1994), 2nd Symposium "Effects of air pollutants on terrestrial ecosystems in the border area between Russia and Norway" (Svanvik, Norway, 1994), 5th International Conference on Acidic Deposition (Goteborg, Sweden, 1995).
Публикации. Результаты исследований отражены в 70 публикациях, в том числе в 2 монографиях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 11 глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы - 450 стр., в том числе 270 стр. основного текста, 60 иллюстраций и 90 таблиц.
