УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2011, том 131, № 2, с. 194-203
УДК 504.054:504.064.36:574.4:631.433.3
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО
ЗАГРЯЗНЕНИЯ И КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА АГРОЭКОСИСТЕМЫ БАЙКАЛЬСКОЙ ПРИРОДНОЙ
ТЕРРИТОРИИ
© 2011 г. Л. В. Помазкина
Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, Иркутск
E-mail: lvp@sifibr.irk.ru
Представлены результаты длительного (1992-2005 гг.) мониторинга трансформации углерода в аг-роэкосистемах на незагрязненных и техногенно загрязненных тяжелыми металлами серых лесных почвах Байкальской природной территории. Показаны особенности аккумуляции углерода в гумусе, почвенной микробной биомассе, фитомассе пшеницы, а также эмиссии СО2 в разные по климатическим условиям годы. Особое внимание уделено анализу потоков нетто-минерализованного и (ре)иммобилизованного углерода, соотношение которых использовано для интегральной оценки уровня воздействия на агроэкосистему. Выявлено усиление негативного действия загрязнения на трансформацию углерода в неблагоприятных гидротермических условиях. С учетом представлений синергетики обсуждается влияние условий среды на формирование новых режимов функционирования агроэкосистем.
Ключевые слова: агроэкосистема, техногенное загрязнение, изменение климата, функционирование агроэкосистемы, интегральная оценка, самоорганизация.
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, негативное антропогенное воздействие на наземные экосистемы связано не только с техногенным загрязнением природной среды, но и с изменением климатических условий. Среди влияющих на климат факторов главным считают динамическое изменение концентрации парниковых газов в атмосфере [9, 20]. В этой связи одна из задач международного Киот-ского соглашения - снизить эмиссию СО2 в атмосферу. Вместе с тем полная оценка наблюдаемых и ожидаемых изменений для каждого государства пока отсутствует. На территории Российской Федерации проблема также не решена, в том числе вследствие исключительного разнообразия природных и климатических условий.
Связывать изменения климата только с промышленной эмиссией парниковых газов недостаточно, поскольку антропогенное преобразование наземных экосистем, сопровождающееся интенсификацией продукционных и деструкци-онных процессов, влияет не менее существенно. Например, в агроэкосистемах на техногенно загрязненных почвах интенсивность процессов минерализации повышается, что сопровождается
усилением эмиссии СО2 и окислов азота в атмосферу при снижении (ре)иммобилизации углерода и азота [23, 24]. Количественная оценка этих показателей в агроэкосистемах пока фрагментарна, как и информация о формировании баланса углерода в разных почвенно-климатических регионах России [10-14, 16, 37 и др.]. Соответственно, практически отсутствуют репрезентативные данные для расчета бюджета углерода на конкретной территории.
Актуальность исследования трансформации углерода в агроэкосистемах, особенно в последние десятилетия, диктуется резкими изменениями окружающей среды и климата. Техногенному загрязнению почв, как одному из негативных современных факторов, воздействующих на трансформацию углерода, уделяется все еще недостаточно внимания. Необходимость количественных оценок и прогноза трансформации углерода в условиях загрязнения среды на фоне изменений климата не вызывает сомнений. Расчеты поступления СО2 в атмосферу, баланса и бюджета углерода в агроэкосистемах разных природных регионов требуют данных длительных мониторинговых исследований.
Задачи исследований: во-первых, в длительном мониторинге выявить особенности трансформации и баланса углерода в агроэкосистемах на серых лесных почвах в зависимости от их техногенного загрязнения и гидротермических условий и, во-вторых, оценить влияние факторов среды на формирование режима функционирования агро-экосистем и уровень нагрузки.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объект исследований - агроэкосистемы на серых лесных почвах лесостепной зоны Байкальской природной территории (БПТ). Согласно поч-венно-географическому районированию [29, 30], Иркутско-Черемховская лесостепь относится к Восточно-Присаянской провинции лесостепной зоны, которая представляет ее восточную границу на Евроазиатском материке, контактирующую с зоной Восточно-Сибирских мерзлотно-таеж-ных почв. Ее координаты 52-55о с.ш. и 100-106° в.д. В геологическом строении территории участвуют кембрийские отложения, перекрытые юрскими. Для ландшафта характерно чередование хвойно-лиственных травянистых лесов, участков остепненных лугов и степей. В почвенном покрове преобладают серые лесные почвы, реже распространены выщелоченные черноземы и дерново-подзолистые почвы. Площадь пахотных почв занимает около 125 тыс. га, из них примерно 70% составляют серые лесные.
Исследуемые почвы расположены на БПТ в так называемой "экологической зоне атмосферного влияния" (ЭЗАВ) на озеро Байкал. Территория испытывает воздействие аэротехногенного загрязнения промышленными предприятиями в городах, расположенных вдоль Транссибирской железнодорожной и автомобильной магистралей. Например [7], в 2008 г. от основных промышленных предприятий, находящихся на БПТ ЭЗАВ, поступило 352 тонны загрязняющих веществ. Наибольший вклад вносят предприятия теплоэнергетики (66%) и топливной промышленности (12%). Существенная доля поллютантов приходится на железнодорожный и автомобильный транспорт. Приуроченность земледелия к про-мышленно развитым районам БПТ ЭЗАВ способствует техногенному загрязнению пахотных почв преимущественно тяжелыми металлами (ТМ).
Иркутско-Черемховская лесостепь от расположенных западнее провинций отличается резкой континентальностью климата [1, 34]. Среднегодовая температура воздуха колеблется от -1о до -3 оС. Умеренно суровая и малоснежная зима длится более 5 месяцев. Почвы промерзают на
глубину до 2-2.5 м и медленно оттаивают (весна и начало лета). Безморозный период длится 75110 дней. Весна короткая с неустойчивой погодой и возвратом холодов. Влагообеспеченность почв зависит от осенних запасов влаги. Лето непродолжительное. Средняя температура июля 17.2-18.2 оС. Сумма температур выше 10о низкая (1595о), возможны весенние и летние заморозки. Годовое количество осадков колеблется от 270 до 386 мм. Максимум их приходится на теплый период (80-90% от суммы за год). Весна и начало лета часто засушливые. Осенний период короткий с неустойчивой погодой и выпадением осадков в виде дождя и снега. В середине октября температура резко снижается. Ограниченность агроклиматических ресурсов позволяет отнести БПТ ЭЗАВ к зоне рискованного земледелия.
Обобщенный анализ агроклиматических условий за последние десятилетия и ожидаемые изменения климата в отдельных регионах России изложены в материалах, подготовленных Российской Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. На основе наблюдений и модельных расчетов сделано заключение, что климатические изменения направлены в сторону потепления. Наибольшие изменения отмечены в Восточно-Сибирском регионе [20]. За 10 лет сумма температур выше 10 оС увеличилась на 94 оС, причем в южных районах годовая амплитуда температуры снижалась наиболее быстро. Период вегетации увеличивался на 3-4 суток. В июле отмечались максимальные скорости повышения температуры (до 1-1.2 оС). Происходило снижение количества осадков за лето. Гидротермический коэффициент (ГТК) уменьшался.
Убедительность аргументов в пользу антропогенной природы потепления, в частности за счет поступления промышленных парниковых газов в атмосферу, подтверждается также опосредованным негативным воздействием техногенного загрязнения почв. Результаты подчеркивают роль почвы в стабилизации состава атмосферы [23, 24, 25]. Рассматривая возможность снижения эмиссии СО2 из почв, как фактора позволяющего смягчить изменения климата, необходимо учитывать исключительные природно-климатические условия БПТ и экологические последствия загрязнения пахотных почв.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Методология исследований - системный и сравнительный анализ. Агроэкосистема рассматривается как экспериментальная модель взаимодействующих компонентов (почва-микроорганиз-
мы-растения-атмосфера), которые объединяются (интегрируются) потоками азота и углерода. Как целостная открытая система, имеющая пространственно-временную или функциональную структуру, она существует за счет согласованного взаимодействия составляющих ее компонентов, благодаря обмену веществом и энергией внутри и с внешней средой. Режим функционирования и уровень воздействия на агроэкосистему оценивали интегрально, используя разработанный и апробированный ранее подход [21-24], основанный на определении соотношения потоков внутрипоч-венного цикла (минерализация ^ (ре)иммоби-лизация) азота и углерода. Подвергающееся минерализации (М) органическое вещество почвы ("вход") формирует два потока: нетто-минерализованный (Н-М) - "выход" вещества из системы и (ре)иммобилизованный (РИ) - "возврат на выходе", обеспечивающий поддержание ресурса азота и углерода в системе (обратная связь). Формирование потока РИ, зависящего от активности почвенного микробного комплекса, рассматривается как природный гомеостатический механизм саморегуляции, поддерживающей динамическое равновесие в агроэкосистеме. Выявлено, что скомпенсированность потоков Н-М и РИ способствует формированию режима гомеостаза. При повышении внешнего воздействия (нагрузки) режим функционирования меняется (стресс, резистентность, адаптационное истощение, репрессия).
Закономерности формирования потоков азота и углерода (показатель Н-М:РИ), зависящие от изменения внешних условий, использованы для интегральной оценки режима функционирования (состояния) агроэкосистемы и для нормирования нагрузки. Разработана шкала оценочных критериев [21, 22]. В настоящей статье обсуждаются результаты сопряженных динамических исследований в длительном (1992-2005 гг.) мониторинге, которые демонстрируют изменения углерода в отдельных компонентах и в целом в агроэкосистеме (почва-микроорганизмы-растения-атмосфера, или соответственно органическое вещество почвы - почвенная микробная биомасса - фитомас-са посева пшеницы - эмиссия СО2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.