Диссертация (1154527), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Объектом исследованияявляются подтаежные лесные экосистемы Южной Мещеры (в пределах Рязанскойобласти).Предмет исследования – факторы, определяющие биогеохимическуюустойчивость лесных экосистем к загрязнению ТМ и РН (видовой составрастительности, биологическая продуктивность, геохимическая специализациявидов, закономерности распределения химических элементов в фитомассе).В работе использованы материалы собственных полевых исследований,проводившихся в 2009-2017 гг., данные государственного учета лесного фондадля Солотчинского лесхоза (таксационные описания 1982, 1991-1992 и 2002 гг.),фондовые материалы Рязанского филиала ФБУ «Территориальный фондгеологической информации по ЦФО», топографические карты масштаба 1:25 000.Ежедневные средние значения температуры и осадков для территорииисследования за 1886-2014 гг.
были получены по метеостанциям Елатьма и Тума,расположенным в Южной Мещере. Кроме того, использована информация изобщедоступных в сети Internet баз данных: http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.shtml – «North Atlantic Oscillation (NAO)» (ежедневные8значения индекса Североатланического колебания (NAO) за декабрь – март 19512016 гг.); http://biodat.ru/db/prod/index.htm – «Продуктивность экосистем СевернойЕвразии» (база данных Н.И. Базилевич с соавторами по запасам и продуктивностирастительности пробных площадей).Для изучения влияния на прирост древостоя геолого-геоморфологическихфакторов применялось профилирование. Оценка запасов фитомассы древостояосуществляласьспомощьюрегрессионныхзависимостей,связывающихнормативные значения запасов и таксационные параметры древостоя. Разработказависимостей осуществлялась в программном пакете «Statistica» (модуль «Fixednonlinear regression»).
Для изучения закономерностей временной динамикипродуктивности сосны в различных топоэкологических условиях использовалисьметоды дендрохронологии. Сезонный пробоотбор образцов почвы, подстилки иразличных компонентов фитоценозов производился по классическим методикамизучения биологического круговорота (Базилевич Н.И. и др., 1978). Химическиеанализы образцов фитомассы и почв осуществлялись нами лично на базелабораториигеохимииландшафтовприкафедрефизическойгеографииРязанского государственного университета (РГУ) имени С.А. Есенина. Обработкаданных осуществлялась с помощью статистических методов (корреляционный,регрессионный, дисперсионный, кластерный анализы в программных пакетах«Statistica» и «Excel») и ГИС-технологий. Для выявления закономерностейтранслокации и аккумуляции ТМ и РН в фитомассе лесных экосистемрассчитывались коэффициенты транслокации, дискриминации, контрастности.Для выявления дефицитности – избыточности ТМ в лесных экосистемахиспользовался метод балансов.Научная новизна работы.
В работе впервые дана комплексная оценкаспецифики ландшафтных процессов в Южной Мещере: рассмотрены ключевыефакторы,определяющиевеличинубиопродуктивностидревостоялесныхэкосистем (особенности литогенной основы, почвенного покрова, климатическаядинамика). Установлено территориальное соответствие локальных вариацийприроста деревьев по диаметру и неоднородностей литогенной основы, которые9опосредованно–черезинтенсивностьводообмена–определяютпространственную динамику продуктивности лесных экосистем. Проведенаструктурно-генетическая типизация природных комплексов с подробностью,соответствующей детальности данных Государственного 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 гипераккумуляцииПредложенный нами механизм гипераккумуляции137137Cs растениями.Cs позволяет объединитьтакие важнейшие особенности гипераккумуляторов, как их способность, с однойстороны, к сверхпроизводству органических кислот в побегах и, с другойстороны,кактивномуселективностипоглощениюК-транспортныхитранспортусистем.КприпониженнойПредложенномумеханизмуудовлетворяют все известные на сегодня 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 нанакопление ТМ и137Cs растениями, – генотипический фактор, определяемыйбиологическими особенностями вида.
Следует отметить, что в биогеохимическихисследованиях данному фактору до сих пор уделяется недостаточное внимание.Осуществлен синтез пространственных оценок продуктивности и запасовфитомассысообществсоценкамисодержанияэлементоввразличныхструктурных компонентах фитоценозов; определен потенциал растительностилесных экосистем Южной Мещеры по мобилизации и иммобилизации ТМ и РН.Практическаязначимостьрезультатовисследований.Результатыдиссертационной работы могут быть использованы в лесном хозяйстве при10разработке системы мероприятий по повышению устойчивости и продуктивностилесов, при планировании лесохозяйственных мероприятий. Разработанныезависимости запасов фитомассы от таксационных показателей древостоя могутприменяться для оценки запасов фитомассы лесов центральной части ВосточноЕвропейской равнины.
Установленные закономерности временной динамикиприроста древостоев могут быть использованы для прогноза биопродуктивности вусловиях климатических изменений.Успехи фиторемедиации почв, загрязненных одним из наиболее токсичныхтехногенных радионуклидов –137Cs – во многом определяются результатамипоиска растений - гипераккумуляторов, способных к интенсивному поглощению137Cs корнями и его транслокации в надземные органы.
Предложенный намимеханизм гипераккумуляции137Cs растениями позволяет осуществлять отборрастений, пригодных для фиторемедиации загрязненных данным радионуклидомпочв.Установленные закономерности распределения ТМ в фитомассе древесныхрастений (в частности, барьерные ткани растений в отношении ТМ) могут бытьиспользованы для выбора наиболее удобных биообъектов для экологическогомониторинга. При организации и проведении экологического мониторинга могутбыть использованы также результаты балансовых оценок, позволяющие судить одефицитности и избыточности элементов в окружающей среде.Материалы диссертации могут быть внедрены в учебный процесс ивключены в курс лекций и лабораторный практикум по дисциплинам«Биогеохимия», «Геохимия ландшафта», «Экология», «Ландшафтоведение».Положения диссертации, выносимые на защиту.1.
Установлено, что ведущая роль в формировании характера изменчивостибиопродукционного процесса в Южной Мещере принадлежит пространственнымвариациям интенсивности водообмена, тесно связанным с глубиной залегания иморфологией поверхности коренных пород.2.Показано,чтобиопродуктивностьдревостоявконтрастныхтопоэкологических условиях обусловлена влиянием различных метеопараметров11и гидрологических условий данного года и предшествующих лет. Условия,создаваемые экстремально высокими и экстремально низкими значениямииндекса Североатлантического колебания (NAO), неблагоприятны для приростадревостоя, в то время как условия «переходных» периодов способствуютповышению биопродуктивности древесных пород.3. Выявлены следующие закономерности распределения ТМ и РН в органахи тканях древесных растений: аккумуляция биофильных Cu, Zn и 40К в надземныхорганах; накопление токсичных Cd и 137Cs в корнях; повышенная аккумуляция Cdи Cu в древесине ствола.При этом ежегодная долговременная иммобилизация элементов в тканяхствола составляет всего 5,5-7,5% (для ТМ) и 1,3-2,3% (для РН) от их суммарнойфиксации в приросте всех компонентов фитоценоза.4.
Установлено, что видами - гипераккумуляторами137Cs являютсяариданитные и гумидокатные пионерные растения, интенсивно питающиесянитратным азотом и восстанавливающие его в надземных органах.Активное поглощение Zn и Cd характерно длягумидокатных видов –березы повислой (Betula pendula) и осины обыкновенной (Populus tremula);интенсивное накопление Cu свойственно для ариданитного вида – дубачерешчатого (Quercus robur).5.Показано,чтовэкосистемахЮжнойМещерыZnявляетсяслабодефицитным элементом, а Cd – избыточным.Личный вклад автора. Все основные этапы настоящей работы (постановказадач, обработка материалов таксационных описаний, подсчет ширины годичныхколец и построение древесно-кольцевых хронологий, отбор образцов фитомассыи почв, их химический анализ, статистическая обработка полученных данных, иханализ, формулировка выводов) выполнены лично автором.
Отбор кернов испилов сосны, корневых систем деревьев и кустарников, построение картосхемосуществлялись совместно с к.б.н., руководителем лаборатории геохимииландшафтов РГУ имени С.А. Есенина С.А. Тобратовым. Обработка и анализданных бурения выполнены С.А. Тобратовым.12Апробация работы и публикации. Материалы исследований по темедиссертациидокладывалисьиобсуждалисьнаIIмолодежнойнаучно-практической летней школе Русского географического общества «География всовременном мире: проблемы и перспективы» (Калужская область, 2014; докладпризнанлучшимвсекции«Физическаягеография»);Международноймолодежной научной конференции «People. Science. Innovations in the newmillennium» (Москва, 2015); Всероссийской научной конференции «Геохимияландшафтов» (к 100-летию А.И. Перельмана) (Москва, 2016); Международноймолодежной научной конференции «Environmental problems of the thirdmillennium»(Москва,2016);XXIМеждународнойПущинскойшколе-конференции молодых ученых «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2017;доклад признан лучшим в секции «Экология»); IX Международном конгрессе«Soils of Urban Industrial Traffic Mining and Military Areas» (Москва, 2017).По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 4 – в изданиях изсписка ВАК.Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 6 глав,выводов, списка литературы, 11 приложений на 37 страницах. Список литературывключает 308 источников, в том числе 107 – на иностранном языке. Работаизложена на 260 страницах (не считая приложений) и включает 35 таблиц и 43рисунка, в том числе карты-схемы.Благодарности. Автор выражает особую благодарность своему научномуруководителю доктору биологических наук, профессору Наталье АнатольевнеЧерных за руководство исследованиями, всестороннюю помощь и поддержку.АвторвыражаетглубокуюлабораториигеохимииландшафтовпризнательностьРГУименик.б.н.,С.А.руководителюЕсенинаСергеюАнатольевичу Тобратову за постоянную поддержку и сотрудничество привыполнении исследований.Автор также благодарит заведующего кафедрой физической географии РГУимениС.А.ЕсенинаА.В.Водорезова,сотрудниковмежбиблиотечногоабонемента Рязанской областной научной библиотеки имени Горького, А.К.13Тобратова, своих родителей Л.Г.
Железнову и С.А. Железнова. Автор такжевыражает признательность своей сестре Т.С. Корзуниной за помощь в обработкематериалов лесной таксации.Автор выражает благодарность Русскому географическому обществу, причастичной финансовой поддержке которого осуществлены исследования по темедиссертации (проект «Оценка ландшафтных закономерностей биологическойпродуктивности лесных фитоценозов Рязанской области в условиях меняющегосяклимата и биогеохимические аспекты их устойчивости к антропогенномухимическому загрязнению», договор № 10/2014-ДП2 от 4 декабря 2014 г.).14ГЛАВА 1.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ1.1. Биологическая продуктивность лесных экосистем:факторы и существующие методы оценкиСогласно современным представлениям (Усольцев В.А., 2001; УсольцевВ.А., Залесов С.В., 2005), понятие «биологическая продуктивность» включает всебя две взаимосвязанные составляющие: фитомасса лесного насаждения,выраженная в тоннах абсолютно сухого вещества на 1 га, и первичная продукция(текущийприрост фитомассы)–количествофитомассы,произведеннойнасаждением на единице площади в единицу времени. В специальной литературе(Уткин А.И., 1975; Усольцев В.А. и др., 2012) указывается на два основныхнаправленияизучениябиогеоценотическое,биологическойсвязанноеспродуктивностипознаниемпроцессовлесов:биологическогокруговорота вещества и энергии в лесном биогеоценозе, и ресурсоведческое,предполагающее количественную и качественную оценку фитомассы деревьев инасажденийсцельюееиспользованиявкачествепотенциальногопромышленного сырья.Историяизучениябиологическойпродуктивностилесовпозволяетпроследить эволюцию подходов к ее оценке.Исследование фитомассы отдельно взятых насаждений (деревьев) и ееотдельных фракций на достаточно систематической основе стало осуществлятьсяс конца XIX в.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
