Автореферат (Комплексная оценка биогеохимической устойчивости экосистем в условиях техногенеза (на примере подтаежных лесов Южной Мещеры)), страница 5

4), ежегодной иммобилизации в стволах и в комле, рецикличноймиграции и аккумуляции растущим торфом. Анализ картосхем показал, чтопространственные различия в потенциале геохимической устойчивости экосистем кзагрязнениюопределяютсякомплексомфакторов:видовымсоставомрастительности, геохимической специализацией видов, барьерными механизмамиаккумуляции элементов, уровнем биопродуктивности древостоя, долейантропогенно нарушенных земель и в целом контролируются ландшафтнойструктурой территории.Максимальная емкость и интенсивность круговоротов Cu (в 2 раза вышесредних значений) приурочена к высокопродуктивным сосновым ценозамостанцовой песчаной местности I – локального оптимума монодоминантныхсосняков (рис.

4а). Это связано с повышенной аккумуляцией Cu, тесноассоциированной с почвенной органикой (Ладонин Д.В., Марголина С.Е., 1997) имигрирующей в основном в составе отрицательно заряженных органоминеральныхкомплексов, в ариданитных видах, в т.ч.

в древесине ариданитной сосны.19а) Cuв) Cdб) ZnРисунок 4 – Запасы тяжелых металловв фитомассе подтаежных экосистемЮжной Мещеры (I…XI – номераландшафтных местностей (см. рис. 1))При преобладании гумидокатных видов (местность VII) интенсивностьбиогенной миграции Cu падает до средних значений, в то время какбиокруговороты Zn и Cd, напротив, достигают максимальной емкости иинтенсивности (за счет активной аккумуляции данных ТМ березой и осиной) (рис.4б, в).

Сниженные масштабы биокруговоротов всех ТМ характерны длязаболоченных территорий и связаны с общей низкой продуктивностью древостоев вусловиях грунтового переувлажнения. Потенциал устойчивости экосистем кхимическому загрязнению существенно понижается за счет антропогенныхпустошей, составляющих 5% от общей площади земель Солотчинского лесхоза. Изза отсутствия древесной растительности пустоши характеризуются нулевымизначениямигеохимическойустойчивости,определяемоймасштабамииммобилизации ТМ в тканях ствола.Балансовые расчеты показали, что в экосистемах Южной Мещеры Znявляется слабодефицитным элементом (невязка баланса равна -5,1%), а Cu и Cd –избыточными (невязка балансов равна +20,4% и +55,7%, соответственно) (рис. 5).20100Атмосферные выпадения75Долговременная иммобилизация вдревесине стволаДолговременная иммобилизация вкоре стволаДолговременная иммобилизация вкомлеВынос с поверхностными водами50%250-25-50Cd-75-100CuZnНакопление в ежегоднонарастающем слое торфа-125Рисунок 5 – Баланс тяжелых металлов в лесных экосистемах Южной МещерыГлавной причиной дефицитности Zn – типоморфного элемента кислыхгумидных ландшафтов – является его активная миграция в водной среде и, какследствие, повышенный водный вынос.

Как следует из рис. 5, биотический блокподтаежных экосистем способен иммобилизовать 39-46% атмосферных выпаденийбиофильных элементов – Zn и Cu – и менее 10% атмосферной поставки токсичногоCd (за счет аккумуляции в приросте древесины, коры стволов, тканей комля, атакже накопления в ежегодно нарастающем слое торфа).Согласно полученным данным, в биотическом блоке ключевого участка(выделы 18 и 27 квартала №70 Борисковского лесничества) удерживается 2,05 (40K)- 2,20% (137Cs) от суммарной радиоактивности экосистемы, еще 0,11 (40K) - 1,85%(137Cs) ассоциировано с лесной подстилкой. Основным источникомрадиоактивности является почва (до 96-98% суммарной активности).

Сравнениезапасов РН в биоблоке с их ежегодной рецикличной миграцией показывает, чтоежегодно обновляется 21% (137Cs) - 25% (40K) запасов радиоактивных элементов вбиоблоке. Это существенно выше, чем для ТМ, причем не только для токсичногоCd (11,5%), но и для биофильных Cu и Zn (14-15%). При этом долговременнаяиммобилизация 137Cs и 40K в тканях стволов составляет соответственно 2,25% и1,31% от величины их суммарной ежегодной фиксации в приросте всех основныхкомпонентов фитоценоза (в среднем в 5 раз меньше, чем для ТМ). Циклическиепотоки 137Cs и 40K, связанные с обновлением листвы, хвои и тонких корнейдеревьев, соответственно в 27 и 44 раза масштабнее их иммобилизации в стволах.На долю нижних ярусов приходится 26-31% от суммарного ежегодного вовлеченияРН в продукционные процессы, что в целом аналогично ТМ. Таким образом, крайненизкий иммобилизационный потенциал тканей ствола в отношении радиоцезия исущественные масштабы его рецикличной миграции отличают 137Cs от ТМ и немогут считаться благоприятным для обеспечения биогеохимической устойчивостиподтаежных экосистем к данному РН.21ВЫВОДЫ1.

Запасы биомассы сосны (P. sylvestris) в Южной Мещере выше зональнойвозрастной нормы (Кб = 1,04), остальных древесных пород – ниже нормы (Кб < 1).Сосняки формируют высокобонитетные сообщества на супесчаных почвахумеренной влажности (В2; Кб до 1,1), береза (B. pendula) и другие породы – вусловиях более трофных и влажных эдатопов (В3 и С3; Кб до 0,85). Минимальнаябиопродуктивность древостоев характерна для мокрых и сырых боров и суборей(А5, В5, В4, А4; Кб = 0,3-0,5).2. Выделенные в пределах района исследований ландшафтные местностиотличаются современным рельефом, историей развития, дренированностью иструктурой растительного покрова. Минимальные приросты древостоев (50-60% отзонального среднего) приурочены к доплейстоценовым эрозионным врезам снеразвитой дренажной сетью и заболачиванием, максимальные (до 1,5 раз вышезонального среднего) – к вершине погребенного доверхнеюрского известняковогоостанца.

Из-за высокой плотности известняка (в 1,20–1,33 раза выше, чем у иныхпород на территории), его локальные выступы – даже несмотря на их древность изначительную глубину залегания – формируют положительные гравитационныеаномалии, стимулирующие водообмен и снижающие эффект переувлажнения.3. Средний прирост по диаметру сосны (P. sylvestris) из контрастныхтопоэкологических условий различается в 2,5 раза (1,5-3,9 мм/год), причемлимитировать прирост могут как дефицит влаги (на останцовых песчаныхмассивах), так и переувлажнение (в условиях болот и влажных равнин). Впереувлажненных местообитаниях наблюдается положительная корреляцияприроста с температурой и отрицательная – с осадками осени предыдущего года; взасушливых – положительная корреляция с осадками осени, мая и с температуройзимы.

Отрицательная связь прироста с количеством осадков в условиях болотможет проявляться с лагом 1-4 года.4. Максимальные (1-ая половина 1990-х гг.) и минимальные (1996 г., 1960-егг.) значения индекса Североатлантического колебания (NAO) неблагоприятны дляприроста сосны (P. sylvestris) в Южной Мещере.

При этом факторами,лимитирующими прирост, являются переувлажнение (для максимумов NAO – засчет мягких влажных зим) и дефицит осадков (для минимумов NAO). Годы,соответствующие нисходящей (1950-е, 2000-е гг.) или восходящей (1980-е гг.) ветвиNAO, маркируются повышенными приростами.5. К наиболее общим закономерностям распределения ТМ в биомасседревесных пород относятся: 1) активная транслокация Cu и Zn в надземные органыи повышенная аккумуляция Cd в тканях корней; 2) повышение селективности22биопоглощения в направлении: корни < тонкие ветви < листья, что связано снеобходимостью защиты фотосинтетического аппарата от токсичных ТМ; 3)накопление в древесине Cd в связи с его ксилемным транспортом преимущественнов форме свободного иона Cd2+; 4) повышенная аккумуляция в древесине Cu,связанная с ее важной ролью в лигнификации ксилемы и высоким сродством кматериалу клеточных стенок. Указанные закономерности варьируют в зависимостиот видовой специфики растений.6.

137Cs и 40К контрастно распределены в фитомассе надземных и подземныхорганов: биофильный 40К активно поступает в побег, а транслокация токсичного137Cs ограничена корневым барьером. Общий характер распределения 137Cs и 40К пофракциям надземной биомассы деревьев в целом аналогичен (листья (хвоя) >тонкие ветви > кора > древесина).7. Впервые предложено объяснение механизма гипераккумуляции(повышенного накопления в надземной биомассе) 137Cs растениями.Гипераккумуляторы 137Cs интенсивно питаются нитратным азотом ивосстанавливают его в надземных органах. Такое питание характерно как дляариданитных видов – дуба (Q. robur), представителей семейств амарантовые(Amaranthaceae), маревые (Chenopodioideae), сложноцветные (Asteraceae), активнопоглощающих анионогенные элементы (в том числе NO3-), так и для гумидокатныхпионерных видов (осины (P.

tremula) и березы (B. pendula)), характеризующихсябыстрыми темпами роста и высокой нитратредуктазной активностью в листьях.8. Долговременная иммобилизация элементов в ежегодном приростедревесины и коры ствола – важнейший источник буферности экосистем кзагрязнению – составляет лишь 5,5-7,5% (для ТМ) и 1,3-2,3% (для РН) от ихсуммарной ежегодной фиксации в приросте всех компонентов фитоценоза.Циклические потоки элементов, связанные с обновлением листвы, хвои, тонкихкорней древесного яруса и биомассы нижних ярусов, в 11-16 раз (для ТМ) и в 39(137Cs) - 67 (40К) раз масштабнее. Биотический блок подтаежных экосистем способениммобилизовать (за счет накопления в древесине, коре стволов и торфяныхаккумуляций) 39-46% атмосферных выпадений биофильных Zn и Cu и менее 10%токсичного Cd.9.

Пространственные различия в потенциале геохимической устойчивостиэкосистем к загрязнению определяются комплексом факторов: видовым составомрастительности, геохимической специализацией видов, барьерными механизмамиаккумуляции элементов, уровнем биопродуктивности, долей антропогеннонарушенных земель. Расчет баланса ТМ свидетельствует о дефицитности вэкосистемах Южной Мещеры Zn (повышенный водный вынос) и выраженнойизбыточности Cd (почти нулевая биофильность).23ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫВ СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ (17)В изданиях, рекомендованных ВАК:1.