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

На правах рукописиЖЕЛЕЗНОВА ОЛЬГА СЕРГЕЕВНАКОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА(НА ПРИМЕРЕ ПОДТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ ЮЖНОЙ МЕЩЕРЫ)03.02.08 – Экология (биологические науки)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата биологических наукМосква – 20172Работа выполнена на кафедре судебной экологии с курсом экологии человекаЭкологического факультета Федерального государственного автономногообразовательного учреждения высшего образования «Российский университетдружбы народов» (РУДН), г. МоскваНаучный руководитель:Черных Наталья Анатольевнадоктор биологических наук, профессор,зав. кафедрой судебной экологии с курсом экологиичеловека экологического факультета РУДНОфициальные оппоненты:Гераськин Станислав Алексеевичдоктор биологических наук, профессор,ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательскийинститут радиологии и агроэкологии»,заведующий лабораторией радиобиологии иэкотоксикологии сельскохозяйственных растенийЧерников Владимир Александровичдоктор сельскохозяйственных наук, профессор,ФГБОУ ВО «Российский государственныйаграрный университет – МСХА имени К.А.Тимирязева», профессор кафедры экологииВедущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки «Институт физико-химических и биологических проблем почвоведенияРоссийской академии наук».Защита состоится «22» марта 2018 г.

в 14 часов 00 минут на заседании Советапо защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.203.38 при Российскомуниверситете дружбы народов по адресу: 115093, г. Москва, Подольское шоссе, д.8/5, экологический факультет.С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотекеФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов» по адресу: 117198, г.Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6 и на сайте dissovet.rudn.ru.Автореферат разослан «____» января 2018 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат биологических наукЕ.А. Ванисова3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

Биологическая продуктивностьпредставляет собой фундаментальное свойство биосферы и означает способностьживого вещества воспроизводить биомассу и образовывать тем самым биотическийпокров (Базилевич Н.И., 1993). Сегодня биологическая продуктивность лесоврассматривается 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 ибиогеоценозах порождает цикл исследований, 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, несмотря на большое количество исследований биопродуктивностилесов, связанных с оценкой их роли в глобальных экологических циклах истабилизации климата (Усольцев В.А., 2001), отдельные аспекты данной проблемыостаются по-прежнему слабо изученными. Так, для многих работ, посвященныхоценке биопродуктивности лесов и определяющим ее факторам, характерноневысокое пространственное разрешение, не позволяющее проследить локальныеособенности протекания продукционных процессов и вскрыть причины ихпространственных вариаций. Изучая емкость и интенсивность биологическихкруговоротов, исследователи часто оставляют без внимания сезонную динамикуэлементов в растительных тканях. При этом к настоящему времени относительнохорошо изучено влияние различных экологических факторов (в первую очередь,свойств почвы) на накопление тяжелых металлов (ТМ) и радионуклидов (РН)растениями, тогда как влияние генотипического фактора, определяемогобиологическими особенностями вида, до сих пор изучено слабо.

Зачастуюдостаточным результатом биогеохимических исследований считается установление4концентраций элементов в тканях и органах растений, без серьезной интерпретацииполученных значений. В то же время комплексных исследованийбиопродуктивности, в том числе определяющих ее факторов и биокруговоротов,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 бореального исуббореального термических поясов. В первом из них рост атмосферногоувлажнения ведет к снижению продуктивности экосистем, а во втором, напротив, кее увеличению (Базилевич Н.И. и др., 1986).

Это создает контрастные условия дляразвития растений на положительных и отрицательных элементах рельефа даже принебольших перепадах относительных высот и способствует межгодовой вариацииприроста даже в условиях слабой динамики климата. Во-вторых, Южная Мещера,занятая хвойно-широколиственными лесами, расположена в центре староосвоеннойтерритории России и испытывает влияние хозяйственной деятельности, что делаеткомплексные биогеохимические исследования особенно актуальными.Цель исследования – изучение закономерностей биогенной миграциитяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) и радионуклидов (137Cs, 40K) в лесных экосистемахЮжной Мещеры, как фактора их устойчивости к загрязнению.В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи:1. Количественная оценка запасов различных фракций биомассы древесныхпород Южной Мещеры и выявление закономерностей пространственногораспределения аномалий прироста древостоя.2.

Анализ влияния литогенетических ландшафтных факторов набиопродуктивность древесных пород Южной Мещеры.3. Оценка вклада климатических факторов в формирование биологическойпродукции в лесных экосистемах.4. Определение закономерностей транспорта тяжелых металлов ирадионуклидов в системе растительных органов и установление барьерныхмеханизмов аккумуляции элементов в фитомассе.5. Оценка потенциала биотического блока по мобилизации и иммобилизацииТМ и РН, определяющего уровень естественной биогеохимической устойчивостилесных экосистем к химическому загрязнению.Объект исследования – подтаежные лесные экосистемы Южной Мещеры (впределах Рязанской области).Предмет исследования – факторы, определяющие биогеохимическуюустойчивость лесных экосистем к загрязнению ТМ и РН (видовой составрастительности, биологическая продуктивность, геохимическая специализациявидов, закономерности распределения химических элементов в фитомассе).5Научная новизна работы.

В работе впервые дана комплексная оценкаспецифики ландшафтных процессов в Южной Мещере: рассмотрены ключевыефакторы, определяющие величину биопродуктивности древостоя лесных экосистем(особенности литогенной основы, почвенного покрова, климатическая динамика).Установлено территориальное соответствие локальных вариаций прироста деревьевпо диаметру и неоднородностей литогенной основы, которые опосредованно –через интенсивность водообмена – определяют пространственную динамикупродуктивности лесных экосистем. Проведена структурно-генетическая типизацияприродных комплексов с подробностью, соответствующей детальности данныхГосударственного учета лесного фонда.Установлены масштабы и закономерности временной динамики приростадревостоя в различных топоэкологических условиях Южной Мещеры. Впервыеанализ реперных лет выполнен совместно с анализом динамики индекса NAO(Североатлантического колебания), как доминирующего климатического режимаАтлантико-Европейского сектора.Впервые дано объяснение механизма гипераккумуляции 137Cs растениями.Предложенный нами механизм гипераккумуляции 137Cs позволяет объединить такиеважнейшие особенности гипераккумуляторов, как их способность, с одной стороны,к сверхпроизводству органических кислот в побегах и, с другой стороны, кактивному поглощению и транспорту К при пониженной селективности Ктранспортных систем.

Предложенному механизму удовлетворяют все известные насегодня гипераккумуляторы 137Cs.Результаты определений содержания ТМ и РН в биомассе растенийиспользованы для расчета коэффициентов транслокации, дискриминации иконтрастности; интерпретация полученных данных осуществлена с привлечениемрезультатов исследований в области биохимии, физиологии растений, генетики.Рассматривается один из наименее изученных факторов, влияющих на накоплениеТМ и 137Cs растениями, – генотипический фактор, определяемый биологическимиособенностями вида.

Следует отметить, что в биогеохимических исследованияхданному фактору до сих пор уделяется недостаточное внимание.Осуществлен синтез пространственных оценок продуктивности и запасовфитомассы сообществ с оценками содержания элементов в различных структурныхкомпонентах фитоценозов; определен потенциал растительности лесных экосистемЮжной Мещеры по мобилизации и иммобилизации ТМ и РН.Положения диссертации, выносимые на защиту.1. Установлено, что ведущая роль в формировании характера изменчивостибиопродукционного процесса в Южной Мещере принадлежит пространственным6вариациям интенсивности водообмена, тесно связанным с глубиной залегания иморфологией поверхности коренных пород.2.