научная статья по теме НОВЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ И ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ НОРМИРОВАНИЮ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ, ВКЛЮЧАЯ ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ Биология

Текст научной статьи на тему «НОВЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ И ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ НОРМИРОВАНИЮ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ, ВКЛЮЧАЯ ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ»

УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2004, том 124, № 1, с. 66-76

УДК 631.95:574.4:504.006

НОВЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ И ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ НОРМИРОВАНИЮ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ, ВКЛЮЧАЯ ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ

© 2004 г. Л. В. Помазкина

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, Иркутск

В полевых экспериментах, выполненных с использованием изотопа 15К, выявлены различия в формировании режимов функционирования агроэкосистем (почва-микроорганизмы-растения-атмо-сфера) в зависимости от характера и уровня антропогенной нагрузки, включая техногенное загрязнение. Предложена интегральная оценка режимов функционирования с использованием показателей - рециркуляция азота и соотношение между потоками азота, направленными в автотрофный (нетто-минерализованный) и гетеротрофный (реиммобилизованный) циклы. Обсуждается использование подхода для оценки уровней загрязнения, эффективности действия мелиорантов, прогноза состояния агроэкосистем при разработке системы экологически безопасного земледелия. Для экологического нормирования предлагается шкала критериев уровней нагрузки на агроэкосистемы.

ВВЕДЕНИЕ

Фундаментальные экологические концепции все еще недостаточно используются при изучении агроэкосистем. До сих пор исследователи расходятся даже в определении понятия "агроэкосисте-ма", особенно ее функциональных различий, чаще зависящих от задач и постановки исследований. Вместе с тем при решении современных проблем земледелия появляются новые парадигмы [10], связанные с развитием агроэкологии как направления, заслуживающего особого внимания в условиях современной экологической обстановки. Отмечается, что экологически организованная агроэкосистема прежде всего должна отвечать требованиям сейстайнинга [9], к которым в основном относятся - формирование экологического равновесия за счет замкнутости циклов вещества, минимизация количества антропогенной энергии, повышение биологического разнообразия с учетом симбиотических и кооперативных взаимодействий.

Зависимость агроэкосистем не только от природных, но и от антропогенных факторов обусловливает их реакцию на изменение среды, что влияет на формирование режимов функционирования. Однако экспериментально практически не показано, следует ли агроэкосистему рассматривать как совокупность управляемых человеком компонентов, или она проявляет функциональные свойства природной экосистемы? Способна ли агроэкосистема сохранять свойственную ей структуру, функции, природные механизмы регуляции сохранения вещества, энергии и информации? Как в агроэкосистеме проявляется роль био-

тического (растительного) разнообразия? Какова роль экологических взаимодействий в формировании устойчивости агроэкосистемы? Вместе с тем для рационального управления агроэкосисте-мами необходимо экологически обоснованное нормирование уровней антропогенных воздействий. В этом плане наибольший интерес как для отдельных компонентов, так и в целом для агроэкосистемы представляют параметры, которые определяются процессами с гомеостатическим механизмом регуляции, причем дают неспецифический отклик и являются интегральными [31]. Наиболее перспективно их выбор связывать с основной функцией - поддержанием биогеохимического круговорота веществ [1], в частности азота [12, 13].

ПОДХОДЫ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В проведенных исследованиях агроэкосистема рассматривается как целостный объект взаимодействующих друг с другом компонентов (почва-микроорганизмы-растения-атмосфера), образующих систему с характерными свойствами [14, 15, 33]. На схеме (рис. 1) показана иерархическая организация агроэкосистемы, которая как функциональный вариант относится к растениеводческой. Блоками обозначены абиотические (почва, точнее органическое вещество) и биотические компоненты, которые выделены как продуценты и редуценты. Поскольку среди последних преимущество принадлежит комплексу микроорганизмов, они представлены в названии блока, хотя, по сути, он характеризует почвенную биоту в целом.

Вход

Почва

(органическое вещество)

Растения

(продуценты)

Ж

Микроорганизмы

(редуценты)

Выход

Рис. 1. Схема иерархической организации агроэкоси-стемы (растениеводческая).

Как будет показано далее, ее вклад в трансформацию органического вещества и круговорот азота при оценке функционирования агроэкосис-темы учитывается интегрально. Атмосфера наряду с другими внешними факторами - гидротермические условия, связанные с приемами земледелия антропогенные нагрузки, аэротехногенное загрязнение и др. - рассматривается как среда на "входе" и "выходе".

Агроэкосистема исследуется как целостная, открытая, динамическая система, функционирование которой зависит от изменений факторов среды и уровня антропогенной нагрузки. Как известно, возникающие на любом уровне иерархической организации агроэкосистемы структурные изменения уже изначально детерминированы, будь то тип почв или характерная для него система гумусовых веществ, отдельные группы микроорганизмов или микробный комплекс, виды (сорта) полевых культур или их посевы. В свою очередь агроэкосистема интегрирована в ландшафт, биосферу и космическое пространст-

во. Перестройки в ее структуре и функциях (разумеется, в определенных пределах) под действием факторов среды могут проявляться на разных уровнях организации, причем и в короткие (в течение вегетации), и в более длительные отрезки времени, например, многолетние - в зависимости от чередования культур в севообороте. На процессы целостного функционирования агроэкосисте-мы влияют как воздействие внешних факторов -среда на "входе", так и связанные с их воздействием внутренние перестройки, обусловленные взаимосвязями (взаимодействиями) на разных уровнях организации.

В наших исследованиях режим функционирования агроэкосистемы (почва-микроорганизмы-растения-атмосфера) оценивается путем выявления интегрированных потоками азота зависимостей, количественные параметры которых определяются в полевых опытах с использованием азотных удобрений, меченных изотопом 15К. Более детально подходы и методы исследований опубликованы ранее [12, 19].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Экспериментально показано [16, 19], что изменения в режимах функционирования агроэко-систем, происходящие под воздействием среды, в частности техногенного загрязнения, зависят от реакций как отдельных компонентов, так и агро-экосистем в целом. В качестве примера на рис. 2 приведены ранее опубликованные [18-21, 28] результаты полевых опытов с яровой пшеницей на серых лесных почвах лесостепи Прибайкалья, близких по агрохимическим свойствам, но отличающихся характером и уровнем локального аэротехногенного загрязнения. Почва А - незагрязненная (условный контроль), почва Б2 - загрязненная, преимущественно тяжелыми металлами

I

б

нет

Минерализовавшийся N

Б2

В

б

нет

Минерализовавшийся N

Минерализовавшийся N

Рис. 2. Функциональные балансовые модели потоков азота (г/м2) в агроэкосистемах на незагрязненной и техногенно загрязненных серых лесных почвах. Обозначения в тексте.

Рис. 3. Схема потоков азота в агроэкосистеме. Обозначения в тексте. Система гумусовых веществ почвы представлена по схеме [2].

(ТМ - уровень суммарного загрязнения "допустимый"; источник Саянскхимпром), почва В - загрязненная, преимущественно фторидами (водорастворимые фториды 6 ПДК; источник ИркАЗ-СУАЛ). Представленные функциональные балансовые модели демонстрируют количественные отличия в потоках азота в агроэкосистемах с посевом пшеницы (вариант К60Р60К60) в зависимости от техногенного загрязнения почв. Прежде всего отметим, что показатель минерализовавшегося за вегетацию почвенного азота, суммарно характеризующий его потоки в агроэкосистеме, на техногенно загрязненных почвах существенно выше, чем на незагрязненной. Относительно содержания общего азота в загрязненных Б2 и В почвах он достигал соответственно 16 и 11%, тогда как в незагрязненной почве - 7%. Поток нетто-минерализованного (Н-М) азота, включающий использованный растениями, остаточный минеральный в почве и газообразные потери, на загрязненных Б2 и В почвах был также выше (75 и 73% от минерализовавшегося, против 61% на незагрязненной), причем большую часть его составляли газообразные потери (соответственно 68 и 46% от Н-М, против 40%).

Согласно системному анализу распределения потоков азота во внутрипочвенном (гетеротрофном) цикле (рис. 3), минерализовавшийся (М) за вегетацию азот почвы рассматривается как "вход" вещества в систему. "Выход" представляет нетто-минерализованный (Н-М) азот, а "возврат на выходе" - реиммобилизованный (РИ), идущий на поддержание системы (обратная связь). Пока-

затель Н-М характеризует поток азота во внешний, или автотрофный, цикл, а РИ - поток (возврат) во внутрипочвенный. Отсутствие количественных различий между этими потоками указывает на замкнутость циклов азота. При этом соотношение Н-М : РИ, близкое или равное единице, соответствует показателю (коэффициенту) рециркуляции азота (РИ : М, %), близкому 50%. Рециркуляцию можно рассматривать как трансформацию (обмен) азота между компонентами агроэкосистемы, относительно его количества на "входе", т. е. возврат в круговорот. Возврат, обусловленный активностью биологических и биохимических процессов, по сути является одним из природных гомеостатических механизмов на данном уровне организации. Если процессы рециркуляции не нарушаются, то возврат веществ, в частности азота, обеспечивает стабильное функционирование системы. В соответствии с экологической теорией возврата веществ в круговорот коэффициент возврата >50% достигается на зрелых стадиях развития экосистем, когда функционирование соответствует режиму "динамическое экологическое равновесие" [11]. Кроме всего реиммобилизованный азот представляет собой новообразованные вещества (структуры), с которыми связано функционирование системы гумусовых веществ. Как было выявлено [4, 17], меченные изотопом азота новообразования включаются во все фракции гумусовых веществ. Участвуя в обновлении гумуса, они поддерживают его ресурс и качество, формируя в основном фонд метаболического (лабильного)

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.

Показать целиком