ДЕГРАДАЦИЯ, ОХРАНА И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОЧВ
УДК 504.054;504.064.36;574.4;631.433.3
МОНИТОРИНГ ЭМИССИИ СО2 И СОДЕРЖАНИЯ МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ НА СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ ПРЕДБАЙКАЛЬЯ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ФТОРИДАМИ*
© 2015 г. Л. В. Помазкина
Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 132
е-шаП: lvp@sifibr.irk.ru Поступила в редакцию 10.05.2014 г.
В длительном агроэкологическом мониторинге в лесостепи Предбайкалья на фоне современных климатических изменений исследовали воздействие техногенного загрязнения серых лесных почв фторидами алюминиевого производства на режимы функционирования и состояние агроэкоси-стем. Ежегодные за вегетацию изменения гидротермических условий в мониторинге (1997—2012 гг.) сравнивали с климатической нормой (1961—1990 гг.). Выявлено, что негативное воздействие загрязнения на компоненты и агроэкосистему в целом в аномальные годы возрастает. Усиление эмиссии СО2 в атмосферу как отклика почвенного микробного комплекса на повышение температуры воздуха подтвердили тесная линейная связь, независимо от загрязнения почвы. Обобщение результатов проведено на основе системного анализа. Исследовали компоненты агроэкосистемы (почва-микроорганизмы—растения—атмосфера), интегрированные потоками углерода. Режимы функционирования и экологическую нагрузку оценивали по соотношению потоков нетто-минерализованного и (ре)иммобилизованного углерода. Выявлены зависящие от факторов среды изменения в состоянии и развитии агроэкосистем.
Ключевые слова: микробная трансформация углерода, интегральная оценка функционирования и нагрузки на агроэкосистему, Ьиу1с Greyzemic Phaeozems.
Б01: 10.7868/80032180X15080031
ВВЕДЕНИЕ
Для эффективного природопользования в разных регионах России в условиях современных климатических изменений и техногенеза требуется изучение состояния и устойчивости наземных экосистем, особенно антропогенно-преобразованных. Особого внимания заслуживает воздействие среды на почвенный покров. Разнообразие выполняемых почвой экологических функций известно, важнейшая из них — поддержание циклов элементов, прежде всего углерода [13, 18, 37, 38, 52]. Особый интерес представляет эмиссионная составляющая почвенного углеродного цикла, зависящая преимущественно от деятельности человека [14, 19, 21, 38, 52, 57, 60]. Роль антропогенных факторов в потеплении климата всесторонне рассматривалась в оценочных докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата, отчетах Росгидромета и других публика-
* Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (03-04-49450-а, 05-04-97206-р_Байкал_а,08-04-98042-р_Си-бирь_а, 12-04-98054-р_сибирь_а, 14-05-00735-а, 14-45-04040-р_сибирь_а) и Междисциплинарных интеграционных проектов № 121 и 17.
циях [15, 25, 26, 30], в которых анализировали две альтернативные концепции климатических изменений: естественную цикличность и антропогенное потепление. В современных условиях для прогноза температурных изменений необходимо исследовать уровень как природных, так и антропогенных воздействий, поскольку концентрация СО2 в атмосфере обусловлена множеством факторов. Так как управление изменчивостью климата маловероятно, особого внимания заслуживает сокращение антропогенных воздействий и оценка их негативных последствий.
В разных зональных и региональных условиях направленность и темпы изменения климата неодинаковы. Однако существующие глобальные модели долгосрочного прогнозирования климата не учитывают множество малоизученных процессов, касающихся влияния климатических изменений на окружающую среду и наоборот. Всесторонних научных обоснований для решения экологических проблем в конкретных регионах еще недостаточно. Интерес представляет не только промышленное поступление СО2 в атмосферу, но и оценка роли почвенного покрова в его форми-
ровании. Предварительность ранее опубликованных оценок интенсивности дыхания почв как на территории России, так и в разных природно-климатических зонах подчеркивали неоднократно [9, 19, 21]. Однако репрезентативные экспериментальные данные, оценивающие воздействие природных и антропогенных факторов на трансформацию и баланс углерода в наземных экосистемах немногочисленны. Прежде всего это касается агроэкосистем, в которых усиление процессов минерализации углерода в условиях техногенного загрязнения приводит к повышению эмиссии СО2 в атмосферу, в то время как активность процессов иммобилизации уменьшается [31, 34, 36]. Отсюда основание рассматривать техногенное загрязнение пахотных почв как антропогенный фактор. Объективная оценка его негативных воздействий на фоне климатических изменений возможна только в длительных мониторинговых исследованиях, учитывающих своеобразие региональных условий. Оценка влияния нескольких факторов на состояние агроэкосистем, как и прогноз их развития в современных условиях изменяющейся среды возможны путем изучения трансформации органического вещества в почве, что представляет научный и практический интерес.
Цель исследования — в длительном (1997— 2012 гг.) агроэкологическом мониторинге выявить воздействие современных климатических изменений и техногенного загрязнения фторидами алюминиевого производства на микробную трансформацию углерода, режимы функционирования и состояние агроэкосистем на серой лесной почве (Ьиук Огеу2еш1е РИаео2ешз) лесостепи Предбайкалья.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Многолетний (1997—2012 гг.) агроэкологиче-ский мониторинг проводили в юго-восточной части лесостепной зоны Предбайкалья. Объект исследования — агроэкосистемы на серых лесных почвах, составляющих основной фонд пашни, значительные площади которой подвергаются техногенному загрязнению. Одним из его источников в регионе считается интенсивное развитие алюминиевого производства, приводящее к загрязнению среды преимущественно химически активными и токсичными фторидами. Формируются геосистемы с фторидно-алюмо-натриевым классом водной миграции (Б'2-—А13+—№+), относящиеся к зоне экологического риска [8, 27].
Исследования, связанные с изучением пространственно-временной трансформации углерода в зависимости от изменений окружающей среды, включали ежегодные многолетние наблюдения и эксперименты в агроэкосистемах интенсивного севооборота (пар—пшеница первого года—пшеница второго года). Полевые опыты про-
водили на серых лесных среднесуглинистых почвах незагрязненной и загрязненной (соответственно D и DF) фторидами алюминиевого производства, используя ранее разработанный и апробированный подход к исследованию [31—34]. Техногенно-загрязненная фторидами пахотная почва была вывезена из зоны Иркутского алюминиевого завода на стационар Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН, где по данным снегосъемки загрязнение отсутствовало. На экспериментальном участке после удаления гумусового слоя в ограничивающих площадь делянки (1 м2) каркасах формировали слой загрязненной фторидами почвы (0—40 см). Это позволило избежать неконтролируемого им-пактного загрязнения, а также обеспечило репрезентативный отбор почвенных проб для анализа. Контролем служили проводившиеся одновременно опыты на незагрязненной почве стационара, где делянки также ограничили каркасами. Подобная постановка полевых опытов обеспечила сравнительно одинаковые условия для проведения длительных экспериментов [31, 36, 50]. Закладку опытов провели осенью 1996 г., предшествующего началу многолетнего мониторинга. Количество делянок соответствует числу полей севооборота в 3-4-кратной повторности. Минеральные удобрения ^РК — химически чистые соли из расчета 60 кг/га действующего вещества) вносили только перед посевом яровой пшеницы второго года. В данной статье представлены результаты ежегодных в течение вегетации наблюдений за трансформацией органического вещества одновременно в пару и посевах пшеницы после пара.
Физические и химические свойства почв, включая качественный состав гумуса, анализировали общепринятыми методами [2]. Содержание валовых и водорастворимых фторидов в почве определяли спектрофотометрическим методом [12]. Степень подвижности (СП) фторидов оценивали как F вод^ вал. Буферную способность почвы к загрязнению фторидами рассчитывали по уравнению [34, 36]:
(Б№Р = [С общ (С гк : С фк) х ЕКО]/Ыа обм х СП).
Ежегодные наблюдения за гидротермическими условиям включали определение температуры воздуха, количества осадков, влажности почв. В режиме оперативного мониторинга (шаг 7— 15 сут) проводили сопряженные измерения скорости эмиссии С—СО2 из почв и содержания углерода почвенной микробной биомассы (С мик), которую определяли регидратационным методом [7], как наиболее пригодном для режимных полевых исследований [38]. Средние за вегетацию (110 сут) показатели рассчитывали как среднее арифметическое. Среднесуточную скорость эмиссии СО2 из почв определяли абсорбционным методом [51], а для контрольных измерений использовали газо-
Таблица 1. Критерии режима функционирования и уровня воздействия на агроэкосистему
Режим функционирования Уровень воздействия РИ : М, % Н-М : РИ
Гомеостаз Норма 50-45 0.8-1.2
Стресс Допустимый 45-35 1.2-2.0
Резистентность Предельно допустимый 35-25 2.0-3.0
Адаптационное истощение Критический 25-15 3.0-5.0
Репрессия Недопустимый <10-15 >5.0
анализатор Инфралит-4 [35]. Суммарную эмиссию СО2 за вегетацию рассчитывали путем линейной интерполяции. Еженедельные измерения использовали для расчета суммарной эмиссии СО2 за месяц, вегетацию, межсезонье и год. Показатель удельной дыхательной активности (УДА) микроорганизмов рассчитывали на основе экспериментальных показателей (С—СО2/С мик, мг С/(г ч)) [34].
Для обобщения результатов мониторинговых исследований использовали методологию сравнительного и системного анализа [31—34]. Агроэко-систему рассматривали как открытую систему, включающую компоненты (почва—микроорганизмы—растения—атмосфера) , интегрированные потоками углерода, которые характеризуют обмен как внутри и между компонентами, так и с внешней средой. Минерализованный в почве за вегетацию углерод (М) исследовали как "вход" вещества в систему, который делится на два потока: нетто-минерализо
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.