ЭКОЛОГИЯ, 2011, № 6, с. 429-435
УДК 574.4:546.26+504.5:661+631.46
ПОЧВЕННОЕ ДЫХАНИЕ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ В ГРАДИЕНТАХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ ВЫБРОСАМИ МЕДЕПЛАВИЛЬНЫХ ЗАВОДОВ
© 2011 г. И. А. Сморкалов, Е. Л. Воробейчик
Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 E-mail: ivan.a.smorkalov@gmail.com Поступила в редакцию 08.06.2011 г.
Исследовано влияние промышленного загрязнения на почвенное дыхание, измеренное in situ. Рассмотрены два градиента, сформированные выбросами крупных медеплавильных заводов — Средне-уральского (елово-пихтовые леса) и Карабашского (березовые леса). Загрязнение слабо влияет на почвенное дыхание — его резкое снижение наблюдается только на участке техногенной пустоши. Отсутствует связь почвенного дыхания с расстоянием до источника выбросов, содержанием металлов в подстилке и ее кислотностью. Высказано предположение, что это может быть связано со смещением соотношения корневого и микробиального компонентов дыхания в градиенте загрязнения.
Ключевые слова: почвенное дыхание, измерение in situ, эмиссия CO2, лесная подстилка, лесные экосистемы, Средний Урал, Южный Урал, медеплавильный завод, тяжелые металлы, сернистый ангидрид, кислотность, pH.
Почвенное дыхание — один из ключевых компонентов цикла углерода наземных экосистем, определяемый метаболической активностью почвенной микрофлоры, корневых систем растений (включая микоризы) и почвенной фауны (Luo, Zhou, 2006; Наумов, 2009). При измерении in situ оценивают скорость эмиссии CO2 с поверхности почвы, что интегрально характеризует интенсивность продукционных (дыхание автотрофов) и деструкционных (дыхание гетеротрофов) процессов (Hanson et al., 2000; Kuzyakov, 2006). Соответственно почвенное дыхание широко используют как для оценки продуктивности экосистем, так и для анализа активности почвенного микробоценоза (Ryan, Law, 2005). В почвенной микробиологии дыхание чаще всего оценивают ex situ — в лабораторных условиях в образцах почвы, из которой удалены корни (в большинстве случаев как часть процедуры измерения биомассы микроорганизмов методом субстрат-ин-дуцированного дыхания).
Экспериментальное внесение больших доз тяжелых металлов при длительной экспозиции обычно снижает интенсивность почвенного дыхания (Doelman, Haanstra, 1984; Hattori, 1992; Laskowski etal., 1994; Aoyama, Nagumo, 1997; Frey et al., 2006; Akerblom et al., 2007), хотя кратковременный эффект может быть и положительным (Bardgett, Saggar, 1994). При измерении ex situ установлено уменьшение эмиссии CO2 из почв, подверженных полиметаллическому загрязнению возле крупных металлургических предприятий (Ebregt, Boldewijn, 1977; Nordgren et al., 1986; Fritze et al., 1989; Vanhala,
Ahtiainen, 1994; Zwolinski, 1994; Yao et al., 2003), автодорог (Gulser, Erdogan, 2008) и в городской среде (Papa et al., 2010). Однако в ряде случаев не выявлено изменений почвенного дыхания в градиенте промышленного загрязнения (Paton et al., 2006; Ste-fanowicz et al., 2008).
Большинство работ, связанных с изучением влияния загрязнения, базируется на оценках почвенного дыхания, полученных ex situ, т.е. характеризующих только микробиальную активность. Лишь в единичных публикациях рассмотрено влияние загрязнения на дыхание in situ (Ramsey et al., 2005а, б; Kozlov et al., 2009), причем обнаружено как его снижение, так и отсутствие изменений. Недостаточность сведений и противоречивость результатов определяют необходимость накопления большего объема информации о влиянии загрязнения на эмиссию CO2 в природных условиях. Цель данной работы — анализ изменения интенсивности почвенного дыхания, измеренного in situ, в двух градиентах загрязнения, сформированных крупными точечными источниками эмиссии поллютантов.
РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ
Работы проведены возле двух крупных предприятий цветной металлургии — Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ) и Карабашского медеплавильного завода (КМЗ): СУМЗ, действующий с 1940 г., расположен на Среднем Урале (подзона южной тайги) около г. Ревды, в 50 км к западу от
г. Екатеринбурга; КМЗ, действующий с 1910 г., расположен на Южном Урале (подзона предлесостеп-ных сосново-березовых лесов лесной зоны) около г. Карабаша, в 90 км к северо-западу от г. Челябинска. Состав выбросов предприятий сходен: основные ингредиенты — SO2 и пылевые частицы с сорбированными металлами и металлоидами (Cu, Pb, Cd, Zn, Fe, As, Hg и др.). Заводы также сопоставимы по мощности: в конце 1980-х годов каждый из них ежегодно выбрасывал около 160 тыс. т поллютан-тов, в середине 2000-х годов — около 30—40 тыс. т. Все это время СУМЗ действовал непрерывно, тогда как деятельность КМЗ была приостановлена с 1989 по 1997 г.
Загрязнение территории и трансформация различных групп биоты возле рассматриваемых предприятий подробно охарактеризованы ранее (Комплексная экологическая оценка ..., 1992; Воробей-чик и др., 1994; Кайгородова, Воробейчик, 1996; Purvis et al., 2004; Бельская, Зиновьев, 2007; Kozlov etal., 2009; Trubina, 2009; Золотарев, 2009; Бельский, 2010; Мухачева и др., 2010). В обоих районах хорошо выражены фоновая (20—30 км от завода), буферная (4—15 км) и импактная (до 2—5 км) зоны, характеризующие последовательные стадии техногенной дигрессии лесных экосистем. В непосредственной близости от КМЗ образовалась обширная техногенная пустошь — специфический "лунный" ландшафт, частично переработанный эрозионными процессами, практически лишенный высшей растительности и естественного почвенного покрова (верхние слои почвы замещены техногенными поверхностными образованиями из эрозионных наносов). Возле СУМЗа техногенная пустошь представлена фрагментарно (только к востоку от завода) и не включена в наш анализ.
В районе СУМЗа работы проведены в ельниках-пихтарниках. Под действием загрязнения произошла смена растительных ассоциаций (от неморально-кисличных через разнотравно-злаковые до мо-хово-хвощовых и мертвопокровных). Почвенный покров представлен горно-лесными бурыми, дерново-подзолистыми и серыми лесными почвами. В фоновой зоне мощность подстилки равна 2—3 см, в буферной — 5—7 см, в импактной — до 10—15 см.
В районе КМЗ работы проведены в производных березняках, образовавшихся на месте сосновых лесов. Загрязнение вызвало закономерную смену растительных ассоциаций (от разнотравных через разнотравно-злаковые до мертвопокровных). Почвенный покров представлен буроземами, дерново-подзолистыми и темно-серыми почвами. В фоновой и буферной зонах мощность подстилки равна 1—4 см, в импактной — до 8—10 см, на пустоши подстилка полностью отсутствует.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для каждого градиента выбрали по 10 участков: в районе СУМЗа они располагались в одном направлении (к западу от завода), КМЗ — в двух (к северу и югу). На каждом участке было заложено по 3 пробные площади в сходных ландшафтных и почвенно-растительных условиях (отстоят на 50—200 м друг от друга). В районе СУМЗа почвенное дыхание измеряли 5-8 июля 2010 е, КМЗ - 13-16 июля 2010 г. (время измерений — с 10 до 16 ч). На каждой пробной площади дыхание измеряли в 5 случайно выбранных точках (отстоят не менее чем на 5 м друг от друга). Всего выполнено 295 измерений на 59 пробных площадях.
Скорость потока СО2 с поверхности почвы измерена полевым респирометром SR1LP (Qubit Systems, Канада), работающем по принципу закрытого динамического камерного метода (Luo, Zhou, 2006). После установки измерительной камеры на поверхность почвы воздух циркулирует внутри замкнутой системы, состоящей из камеры, насоса, датчика скорости потока и инфракрасного газоанализатора, подключенного к портативному компьютеру. Концентрация СО2 в системе обычно растет линейно (до момента насыщения), что позволяет рассчитать скорость эмиссии газа из почвы. Камеру (цилиндр диаметром 10 см и высотой 12.5 см) втыкали в подстилку (зеленые части сосудистых растений были предварительно срезаны) на глубину около 2 см на 3-4 мин, скорость потока составляла 450500 мл/мин. Интенсивность почвенного дыхания (мг СО2/м2/ч) рассчитывали по наклону кривой накопления СО2 с учетом объема системы, площади основания камеры и температуры почвенного воздуха. Для расчетов выбирали максимально линейный участок кривой (для которого коэффициент корреляции составлял более 0.97), отступив не менее 30 с от начала измерения. Температуру подстилки определяли почвенным термометром, входящим в комплект респирометра, в непосредственной близости от места установки камеры на глубине 2—3 см.
На каждой пробной площади (кроме участка техногенной пустоши) отбирали по 5 смешанных образцов (каждый составлен из 5 индивидуальных) лесной подстилки для оценки содержания подвижных форм тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd) и кислотности. Металлы экстрагировали 5%-ной HNO3 (отношение подстилки к экстрагенту равно 1 : 10, время экстракции - сутки), концентрации измерены на атомно-абсорбционном спектрометре AAS 6 Vario (Analytik Jena, Германия); рН водный измерен с помощью ионометра inoLab 740 (WTW Германия); отношение подстилки к деионизированной воде равно 1 : 25.
Для статистической обработки использовали од-нофакторный и двухфакторный дисперсионный анализы (ANOVA); множественные сравнения выполнены по Тьюки. Степень влияния загрязнения
Параметры загрязнения лесной подстилки и величина почвенного дыхания на разном удалении от двух исследованных медеплавильных заводов
Зона
Участок
Концентрация, мкг/г рНводный Почвенное дыхание, мг СО2/м2/ч Температура
Си РЬ Сё подстилки, °С
Район СУМЗа
Фоновая R33W 31.6 (3.3) 73.1 (4.1) 2.9 (0.2) 4.8 (0.1) 759.3 (106.5) 11.9 (0.1)
R29W 30.3 (0.8) 71.3 (7.0) 2.5 (0.2) 5.1 (0.2) 756.5 (34.1) 14.0 (0.5)
R20W 39.0 (12.8) 76.0 (14.6) 3.1 (0.3) 5.5 (0.2) 664.6 (19.9) 14.0 (0.7)
Буферная R10W 231.2 (67.0) 345.2 (20.4) 7.6 (0.7) 4.8 (0.2) 737.6 (8.7) 12.1 (0.1)
R7W 371.0 (27.0) 527.9 (62.5) 12.3 (0.9) 5.0 (0.2) 736.8 (67.3) 11.5 (0.2)
R6W 714.8 (199.8) 819.2 (44.7) 15.4 (1.6) 4.6 (0.1) 611.2 (36.3) 11.1 (0.1)
R4W 1020.8 (46.7) 1135.7 (203.1) 12.0 (2.4) 4.4 (0.1) 605.6 (25.9) 9.8 (0.1)
Импактная R3W 3368.3 (308.6) 2677.8 (210.5) 32.9 (1.2) 4.4 (0.2) 707.2 (46.0) 13
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.