Диссертация (Комплексная оценка биогеохимической устойчивости экосистем в условиях техногенеза (на примере подтаежных лесов Южной Мещеры))

Федеральное государственное автономное образовательноеучреждение высшего образования«Российский университет дружбы народов»Министерства образования и науки Российской ФедерацииНа правах рукописиЖЕЛЕЗНОВА ОЛЬГА СЕРГЕЕВНАКОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА(НА ПРИМЕРЕ ПОДТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ ЮЖНОЙ МЕЩЕРЫ)03.02.08 – экология (биологические науки)Диссертацияна соискание ученой степеникандидата биологических наукНаучный руководитель:доктор биологических наук, профессорЧерных Наталья АнатольевнаМосква – 20172ОГЛАВЛЕНИЕВведение………………………………………………………………………………..5Глава 1. Обзор литературы…………………………………………………………141.1.

Биологическая продуктивность лесных экосистем: факторы исуществующие методы оценки………………………………………………………141.2. Современные представления об аккумуляции и миграции тяжелыхметаллов и радионуклидов в растениях……………………………………………..29Глава 2. Объекты и методы исследования……………………………………….442.1. Общая характеристика территории исследования………………………442.2. Методы исследования……………………………………………………..522.2.1. Определение запасов фитомассы древостоя…………………………..522.2.2. Определение пространственно-временных закономерностей приростапо данным лесной таксации…………………………………………………………..572.2.3. Методы дендрохронологии……………………………………………..592.2.4. Методы изучения химического состава компонентов экосистем……642.2.5.

Методы оценки иммобилизационного и мобилизационногопотенциала фитомассы лесных экосистем в отношении тяжелых металлов ирадиоцезия……………………………………………………………………………..75Глава 3. Литогенная основа как фактор пространственной неоднородностибиопродукционных процессов древостоя………………………………………...81Глава 4. Пространственно-временные факторы продуктивности лесныхэкосистем Южной Мещеры……………………………………………………….1024.1. Запасы фитомассы древостоя и типы лесорастительных условий……1024.2. Временная динамика продуктивности лесных экосистем (по материаламлесной таксации)……………………………………………………………………..1214.3. Влияние климата на радиальный прирост древостоя в различныхтопоэкологических условиях (по материалам дендрохронологическихисследований)…………………………………………..............................................133Глава 5.

Тяжелые металлы и радионуклиды в фитомассе лесных экосистемЮжной Мещеры…………………………………………………….……………...16235.1. Закономерности транслокации, аккумуляции и барьерных механизмовтяжелых металлов (Cu, Zn, Cd)..……………………………………………............1625.2. Закономерности транслокации, аккумуляции и барьерных механизмоврадионуклидов (137Cs, 40K)……………………………………………......................176Глава 6. Потенциал биотического блока лесных экосистем поиммобилизации и мобилизации тяжелых металлов и радионуклидов…......1966.1. Тяжелые металлы (Cu, Zn, Cd)…………………………………………..1966.2.

Радионуклиды (137Cs, 40K)………………………………………………..218Выводы………………………………………………………………………………225Список литературы………………………………………………………………...228Приложение А. Тяжелые металлы и радионуклиды в почвах Южной Мещеры..261Приложение Б. Лесохозяйственная структура Солотчинского лесхоза Рязанскойобласти………………………………………………………………………………..264Приложение В. Регрессионные модели для расчета запасов фитомассыдревостоя……………………………………………………………………………..266Приложение Г.

Пространственная вариация коэффициентов благоприятности(Кб) для различных фракций фитомассы древостоя лесных экосистемЮжной Мещеры……………………………………………………………………..268Приложение Д. Пространственные закономерности биопродукционныхпроцессов древостоя в Южной Мещере……………………………………………271Приложение Е. Формы циркуляции и циркуляционные эпохиГ.Я.

Вангенгейма – А.А. Гирса……………………………………………………..274Приложение Ж. Результаты кластеризации временного ряда 1900-2010 гг.по частоте элементарных циркуляционных механизмов (ЭЦМ, типизацияБ.Л. Дзердзеевского)………………………………………………………………...275Приложение И. Концентрации тяжелых металлов в фитомассе лесныхэкосистем Южной Мещеры…………………………………………………………280Приложение К. Радионуклиды в фитомассе лесных экосистем ЮжнойМещеры……………………………………………………………………………....289Приложение Л. Механизм гипераккумуляции 137Cs растениями………………...2964Приложение М. Масштабы биогеохимического круговорота наземлях Солотчинского лесхоза разных категорий………………………………2975ВВЕДЕНИЕАктуальность темы.

Биологическая продуктивность представляет собойфундаментальное свойство биосферы и означает способность живого веществавоспроизводить биомассу и образовывать тем самым биотический покров(БазилевичН.И.,1993).Сегоднябиологическаяпродуктивностьлесоврассматривается как их основная характеристика, определяющая ход процессов влесных экосистемах и используемаяв целях экологического мониторинга,устойчивого ведения лесного хозяйства, моделирования продуктивности лесов сучетом глобальных изменений, изучения структуры и биоразнообразия лесногопокрова, оценки углерододепонирующей емкости лесов (Усольцев В.А., ЗалесовС.В., 2005).

С геохимических позиций биологическая продуктивность, наряду сводным выносом, обеспечивает устойчивость экосистем к антропогенномузагрязнению (Manual on Methodologies and Criteria…, 2004).Проблема биологической продуктивности в учении об экосистемах ибиогеоценозахпорождаетциклисследований,связанных,во-первых,собразованием, трансформацией и аккумулированием органического вещества, вовторых, с анализом факторов, обусловливающих продуктивность, в-третьих, соскоростью потоков энергии и циркуляции биогеохимических элементов черезсистему и во взаимодействиях с другими системами (Уткин А.И., 1975).Исследования по данным направлениям особенно активно стали проводиться ссередины 1960-х гг.

в связи с выполнением работ по Международнойбиологической программе (Базилевич Н.И., 1993).Сегодня,несмотрянабольшоеколичествоисследованийбиопродуктивности лесов, связанных с оценкой их роли в глобальныхэкологических циклах и стабилизации климата (Усольцев В.А., 2001), отдельныеаспекты данной проблемы остаются по-прежнему слабо изученными. Так, длямногих работ, посвященных оценке биопродуктивности лесов и определяющим еефакторам, характерно невысокое пространственное разрешение, не позволяющеепроследить локальные особенности протекания продукционных процессов ивскрытьпричиныихпространственныхвариаций.Изучаяемкостьи6интенсивность биологических круговоротов, исследователи часто оставляют безвнимания сезонную динамику элементов в растительных тканях.

При этом кнастоящемувремениотносительнохорошоизученовлияниеразличныхэкологических факторов (в первую очередь, свойств почвы) на накоплениетяжелых металлов (ТМ) и радионуклидов (РН) растениями, тогда как влияниегенотипического фактора, определяемого биологическими особенностями вида,до сих пор изучено слабо. Зачастую достаточным результатом биогеохимическихисследований считается установление концентраций элементов в тканях иорганах растений, без серьезной интерпретации полученных значений. В то жевремякомплексныхисследованийбиопродуктивности,втомчислеопределяющих ее факторов и биологических круговоротов, сравнительно мало.Это обусловливает актуальность выбранной темы.Следует подчеркнуть, что, во-первых, Южная Мещера расположена в зоне«гидротермического перелома» (Глебова О.В. и др., 2000) – границе бореальногои суббореального термических поясов.

В первом из них рост атмосферногоувлажнения ведет к снижению продуктивности экосистем, а во втором, напротив,к ее увеличению (Базилевич Н.И. и др., 1986). Это создает контрастные условиядля развития растений на положительных и отрицательных элементах рельефадаже при небольших перепадах относительных высот и способствует межгодовойвариации продукционных процессов даже в условиях слабой климатическойдинамики. Во-вторых, Южная Мещера, занятая хвойно-широколиственнымилесами, расположена в центре староосвоенной территории России и испытываетвлияние хозяйственной деятельности, что делает комплексные биогеохимическиеисследования особенно актуальными.Цель и задачи исследования.

Цель настоящей работы – изучениезакономерностей биогенной миграции тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) ирадионуклидов (137Cs, 40K) в лесных экосистемах Южной Мещеры, как фактора ихустойчивости к загрязнению.В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи:71. Количественная оценка запасов различных фракций биомассы древесныхпород Южной Мещеры и выявление закономерностей пространственногораспределения аномалий прироста древостоя.2.Анализвлияниялитогенетическихландшафтныхфакторовнабиопродуктивность древесных пород Южной Мещеры.3. Оценка вклада климатических факторов в формирование биологическойпродукции в лесных экосистемах.4.Определениезакономерностейтранспортатяжелыхметалловирадионуклидов в системе растительных органов и установление барьерныхмеханизмов аккумуляции элементов в фитомассе.5.ОценкаиммобилизациипотенциалаТМиРН,биотическогоблокаопределяющегопомобилизацииуровеньиестественнойбиогеохимической устойчивости лесных экосистем к химическому загрязнению.Объект, материалы и методы исследования.