УДК 631.453:631.433.3
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ЭМИССИЮ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПОЧВАМИ В КОЛЬСКОЙ СУБАРКТИКЕ
© 2015 г. Г. Н. Копцик, М. С. Кадулин, А. И. Захарова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, кафедра общего почвоведения 119991 Москва, Ленинские горы, 1
e-mail: koptsikg@mail.ru Поступила в редакцию 20.12.2013 г.
Эмиссию диоксида углерода (CO2) почвами, важнейшую составляющую углеродного цикла и характеристику биологической активности почв, исследовали в фоновых и подверженных атмосферному загрязнению экосистемах большого индустриального региона России - Кольской Субарктики. Длительное загрязнение выбросами комбината "Печенганикель", крупнейшего в северной Европе источника диоксида серы и тяжелых металлов, привело к техногенной дигрессии лесных экосистем - разрушению и гибели древесного яруса и обеднению видового состава фитоцено-зов, ослаблению активности почвенной биоты, загрязнению почв, нарушению биогеохимических циклов элементов, уменьшению продуктивности экосистем. Вблизи комбината образовались техногенные пустоши. В ходе полевых исследований выявлено замедление эмиссии CO2 почвами in situ в среднем от 190-230 мг С-С02/м2 • ч в фоновых сосновых лесах до 130-160 мг С-С02/м2 • ч в сосняках стадии дефолиации, 100 мг С-С02/м2 • ч в техногенном сосновом редколесье и 5-20 мг С-С02/м2 • ч на техногенных пустошах. Эмиссия CO2 почвами в березняках более интенсивна по сравнению с сосняками и с нарастанием загрязнения проявляет тенденцию к снижению от 290 мг С-С02/м2 • ч в фоновых лесах до 210-220 мг С-С02/м2 • ч в березняках стадии дефолиации и 170190 мг С-С02/м2 • ч в техногенных редколесьях. Эмиссия CO2 почвами техногенных редколесий и пустошей значимо отличается от фоновых уровней. Эмиссии CO2 почвами свойственна высокая пространственная изменчивость внутри биогеоценозов, снижающаяся в сосновых лесах с нарастанием загрязнения. Эмиссия CO2 (или дыхание почвы) отражает суммарную продукцию диоксида углерода в результате автотрофного (корни растений) и гетеротрофного (почвенные микроорганизмы и животные) дыхания. Впервые в регионе обнаружено уменьшение доли корневого дыхания с ростом загрязнения от 38-57% в фоновых лесах до нуля на пустошах, что свидетельствует о первоочередной гибели растительной составляющей биоценозов и сравнительной устойчивости микроорганизмов. Согласно результатам корреляционного анализа, дыхание почв и вклад в него корней прямо связаны с расстоянием от комбината, массой мелких корней, содержанием углерода и азота; обратная связь наблюдается с содержанием доступных соединений никеля и меди в почвах. Ремедиация техногенных пустошей способствовала интенсификации биологической активности почв. При этом посадки ивы с одновременным посевом трав во вновь созданный плодородный насыпной слой по активизации почвенного дыхания и вкладу в него корней более эффективны, чем в произвесткованные и удобренные загрязненные почвы (хемо-фитостабилизация).
Эмиссия диоксида углерода (СО2) почвами -важнейший компонент ключевого биогеохимического цикла биосферы - углеродного, который тесно связан с изменениями климата. В глобальном масштабе она составляет 20-40% (5075 Гт С/год) общего годового потока СО2 в атмосферу (8сЫше1, 1995; Заварзин, Кудеяров, 2006; Пулы и потоки..., 2007). Даже небольшие нарушения высвобождения углерода и его поглощения в процессе фотосинтеза могут оказывать заметное влияние на баланс углерода в атмосфере. Оценки
эмиссии СО2 почвами наземных экосистем планеты весьма ориентировочны, а в арктических и субарктических широтах крайне редки (Заварзин, Кудеяров, 2006; Карелин и др., 2013).
Эмиссия диоксида углерода - процесс, характеризующий выделение СО2 с поверхности почвы в атмосферу. Эмиссия СО2 почвами (или "дыхание почвы") обусловлена преимущественно биологическими факторами и отражает суммарную продукцию СО2 почвенными микроорганизмами,
почвенными животными и корневыми системами растений. Соотношение между дыханием корней (ДК) и дыханием микроорганизмов (ДМ) зависит от множества факторов, а их вклады в эмиссию СО2 почвами трудно разделимы из-за прочной ассоциации с корнями микроорганизмов ризосферы и микоризы (Заварзин, Кудеяров, 2006; Пулы и потоки..., 2007). Вместе с тем знания о вкладе ДК и ДМ необходимы для оценки и прогноза баланса углерода в экосистемах, в том числе под воздействием климатических изменений. Успехи последних лет в исследованиях распределения углерода в ризосфере - области тесного взаимодействия корней, микроорганизмов и почвы - связаны преимущественно с применением стабильных и нестабильных (радиоактивных) изотопов (Jones et al., 2009; Werth, Kuzyakov, 2010). Наиболее распространенные методы разделения корневого и микробного дыхания в ризосфере включают метод разбавления изотопов, метод модельных ризо-депозитов, моделирование динамики выделения 14CO2, метод вымывания экссудатов (Kuzyakov, 2002). Однако применение этих методов в полевых условиях весьма проблематично.
Интенсивное техногенное загрязнение в индустриальных регионах планеты приводит к уменьшению продуктивности наземных экосистем, ослаблению биологической активности почв, заметно влияя на эмиссию СО2. Рост содержания тяжелых металлов (ТМ) до одного порядка по сравнению с фоновым ведет к достоверному снижению биохимической активности почв, перераспределению по степени доминирования активно функционирующих в почве форм микроорганизмов, а увеличение содержания ТМ на 1-2 порядка сопровождается сокращением богатства и разнообразия видов почвенных микромицетов, увеличением доли пигментированных форм и появлением токсинообразующих микроорганизмов (Микроорганизмы., 1989). Токсичные концентрации никеля и меди, негативно влияющие на разложение и аккумуляцию опада (640-1300 и 411400 мг/кг), минерализацию углерода (6.6-1200 и 25-1400 мг/кг), трансформацию азота (2-50 и 151450 мг/кг), ферментативную активность (1200 и 25-1900 мг/кг), биомассу микроорганизмов (6.61900 и 15-61100 мг/кг соответственно), изучены преимущественно в модельных экспериментах и разнятся в широких пределах в зависимости от вида организмов-реципиентов, типа биохимических процессов, почвенных условий, загрязняющих металлов и их соединений (Babich, Stotzky, 1985; Bääth, 1989; Tyler et al., 1989; Laskowski et al., 1994).
Вместе с тем, сведения о влиянии техногенного загрязнения на почвенное дыхание в реальных условиях противоречивы. Результаты измерения дыхания почв и скорости разложения свидетельствовали о снижении микробиологической активности подстилок вблизи медеплавильного завода в Садбери (Freedman, Hutchinson, 1980; Johnson, Hale, 2004). Почвенное дыхание служило хорошим индикатором влияния Cu и Cd на микробные сообщества в почвах в окрестностях медно-цинкового комбината в Квебеке (Dumontet et al., 1992). При этом ингибирование дыхания наблюдалось в диапазоне 29-565 мг Cu/кг и 0.56-11 мг Cd/кг почвы. Рост содержания меди в подстилке сосновых лесов от 300 до 8000 мг/кг с приближением к медно-никелевому комбинату в Финляндии приводил к уменьшению микробной биомассы до 10-28%, а почвенного дыхания - до 16% от контроля (Fritze et al., 1996). Как ТМ, так и высокая кислотность ограничивали почвенное дыхание по градиенту загрязнения шахтными отходами горнодобывающих предприятий в штате Монтана, США (Ramsey et al., 2005). Загрязнение почв Zn, Cd, Pb и Cu в районе прошлого размещения металлургических отходов также тормозило скорость выделения CO2 почвами (Dai et al., 2004). Результаты анализа Козлова с соавторами (Kozlov et al., 2009) в целом подтверждают негативное влияние предприятий цветной металлургии на дыхание почв в различных регионах планеты. Однако загрязнение слабо влияло на почвенное дыхание вблизи Среднеуральского (елово-пихтовые леса) и Карабашского (березовые леса) медеплавильных заводов - оно резко снижалось только на участке техногенной пустоши, а связи с расстоянием до источников выбросов, содержанием металлов в подстилке и ее кислотностью отсутствовали (Сморкалов, Воробейчик, 2011). В отличие от других микробиологических показателей дыхание свежих образцов почв, отобранных вдоль 34-км трансекты от комбината "Североникель" на Кольском полуострове, не было чувствительно к загрязнению ТМ (Paton et al., 2006). В то же время вблизи этого же комбината была обнаружена связь дыхания почв с уровнем их загрязнения как в свежих образцах (Благодатская и др., 2008), так и in situ (Кадулин, Копцик, 2013).
Лесные экосистемы Кольского полуострова в течение многих десятилетий подвержены воздействию атмосферного загрязнения выбросами медно-никелевых комбинатов "Североникель" и "Печенганикель" - крупнейших в Северной Европе источников диоксида серы и ТМ. Длительное загрязнение привело к техногенной дигрессии лесных экосистем - разрушению и гибели древес-
ного яруса и обеднению видового состава фитоце-нозов, ослаблению активности почвенной биоты, загрязнению почв, нарушению биогеохимических циклов элементов, уменьшению продуктивности экосистем (Лесные экосистемы..., 1990; Евдокимова, 1995; Лукина, Никонов, 1998; Копцик и др., 2004; Евдокимова и др., 2014; Koptsik et al., 2003).
Несмотря на детальные исследования реакции микроорганизмов на техногенное загрязнение лесных экосистем полуострова (Евдокимова, 1995; Koptsik et al., 2005; Благодатская и др., 2008; Евдокимова и др., 2014) интенсивность выделения CO2 почвами in situ изучена недостаточно, а участие микробного и корневого дыхания неизвестно. Еще большую неопределенность в оценки эмиссии углерода почвами вносит их ре-медиация. В этой связи целью работы был анализ влияния техногенного загрязнения и ремедиации на дыхание почв как общую характеристику их биологической активности и оценка вклада почвенных микроорганизмов и корней растений как основных источников образования СО2 в почвах в зоне влияния горно-металлургического комбината (ГМК) "Печенганикель" в Кольской Субарктике.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в июле-августе 2010 г. на участках многолетнего мониторинга лесных экосистем, расположенных по преобладающему (южн
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.