CC BY
96
УДК 519.241.6: 519.25: 581.55: 634.948
АНАЛИЗ ТРАНСФОРМАЦИИ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПОДМОСКОВЬЯ В СВЯЗИ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА НА ОСНОВЕ МЕТОДА
БАЛЛЬНЫХ ОЦЕНОК
И.Ю. Аверкиева
Статья посвящена проблеме влияния техногенной эмиссии соединений азота на структуру и функционирование лесных экосистем Московской области. Предложены подходы к анализу степени трансформации лесных биогеоценозов в результате повышенного поступления соединений азота с атмосферными выпадениями на основе метода балльных оценок.
Ключевые слова: азот, лесные экосистемы, трансформация экосистем, стадии насыщения азотом
Введение
Лесные экосистемы Московской области выполняют важные экологические функции. Можно говорить о том, что средообразующие и средостабилизирующие функции этих лесов по своей биосферной и экологической значимости намного весомее их ресурсного потенциала. Начиная с 70-х годов прошлого века, приоритетным фактором техногенного влияния на состояние лесных экосистем Центрального региона является атмосферная эмиссия поллютантов, в том числе, оксидов азота (NOx). Уровень эмиссии NOx в атмосферу определяется развитием промышленности и численностью автотранспорта на территории региона. В Московской области эмиссия оксидов азота только от стационарных источников (без учета выбросов автотранспорта) в ряде административных районов в пересчете на их площадь достигает 10 кг Мга в год и выше [1, с.51].
В результате увеличения уровня поступления азота в экосистемы с атмосферными выпадениями происходит трансформация его естественного биогеохимического цикла, что ведет к различным экологическим нарушениям [2, p.44]. Характер проявления тех или иных нарушений зависит от многих факторов: уровня выпадений азота, типа растительности и почв, климатических условий, а так же от степени уже существующей антропогенной трансформации естественных экосистем. Степень трансформации природных экосистем в зависимости от уровня их «насыщения» азотом можно оценить по проявлению тех или иных экологических эффектов, которые условно можно разделить на эффекты, связанные с изменением геохимических параметров атмосферного воздуха и почвы, и эффекты, проявляющиеся на уровне растительных сообществ и видов [2, p. 43-60; 3, p. 34] .
Оценке азотного статуса природных экосистем и анализу их изменений в результате антропогенной эмиссии NOx много внимания уделяется в западной литературе [2, p. 44-173, 4, p.221] , однако в отечественной практике такие исследования проводятся в основном в агрохимическом аспекте [5. ^21-40; 6, с. 10-20; 7], что определяет малую изученность процессов, происходящих в естественных экосистемах, в том числе лесных. В этой связи актуальными становятся исследования направленные на оценку степени трансформации естественных биогеоценозов в регионах с повышенным поступлением оксидов азота с целью определения изменений, которые будут происходить при дальнейшем антропогенном воздействии.
Подходы и методы
Знание о характере изменений, происходящих в функционировании лесов в результате воздействия техногенных соединений азота, дает возможность оценить степень их трансформации в случае сохранения или увеличения уровней эмиссии NOx. При анализе степени трансформации лесных экосистем Подмосковья нами были использованы подходы, разработанные западноевропейскими учеными при определении критических уровней выпадений азота, а так же принципы, разработанные в отечественной экотоксикологии и геохимии [2, p. 43; 4, p. 220; 7, с. 2-6 ; 9, с. 176].
Объектами исследования были лесные биогеоценозы 23 ключевых участков в пределах территории Московской области, расположенные на разном удалении от источников эмиссии оксидов азота, которые отражали разнообразие почвенно-геохимических и геоботанических условий региона. На данных ключевых участках проводились полевые исследования, включающие отбор снежных проб (в которых определялись минеральные формы азота) и почвенных проб (с последующим определением общего содержания азота и углерода и минеральных форм азота), а так же выполнялись геоботанические описания.
Оценка характера и уровня поступления соединений азота с атмосферными осадками
проводилась на основе данных снегосъемки, что позволило получить информацию о суммарном поступлении соединений азота с осадками и за счет сухого осаждения [10, с. 34-40; 11, с. 142]. При оценке трансформации лесных экосистем нами учитывалось соотношение минеральных форм азота в атмосферных осадках. Согласно имеющимся данным [11, 12], до 70-х гг. ХХ века уровень выпадений азота на территории региона составлял 2-4 кг Щ/га в год, а в пуле минерального азота преобладали аммонийные формы. В связи с повышением антропогенной эмиссии в 70-80-ые годы, уровень выпадений возрос до 7-15 кг Щ/га в год, сохраняясь в этих пределах до настоящего времени [1]. При этом, в минеральном пуле нитратные формы превышают аммонийные [7, с. 15;
11, с.143] .
Концентрации соединений азота в талых снеговых водах могут рассматриваться как одни из показателей обеспеченности лесной растительности доступным азотом в начале вегетации. В связи с этим, данный показатель необходимо учитывать при оценке эффектов нарушения видового разнообразия лесов. Для напочвенного покрова лесов эффекты нарушения видового разнообразия (увеличение доли видов-нитрофилов и уменьшение числа олиготрофных видов) возможны, когда концентрация азота в почвенном растворе превышает для лишайников и мхов величины 0,2-0,4 мг Щ/л, для кустарничковых видов - 1 мг Щ/л, а для осок и злаков - 1-3 мг Щ/л [2, р. 54] .
В связи с тем, что азот является одним из основных элементов питания растительности, содержание в почве его легкоусвояемых форм является прямым показателем производительности экосистем [13, р.495]. Данные, полученные в результате наших исследований показывают, что пул минерального азота преимущественно представлен аммонийной формой, так как превращение органических остатков в лесных экосистемах в основном идет до стадии аммиака, что обусловлено особенностями биогеохимических процессов данных экосистем [13, с.74-86]. Однако для некоторых ключевых участков на территории Подмосковья показано преобладание нитратных форм, что на наш взгляд свидетельствует об изменении трофического статуса данных экосистем.
Проведенные на ключевых участках геоботанические описания позволили охарактеризовать типы леса по составу доминантов древесного яруса и видовой структуре напочвенного покрова. Плотность популяции видов-индикаторов - один из важнейших показателей состояния экосистем, особенно высокочувствительных к изменению питательных условий [14, с. 46]. В результате повышения поступления азота в природные экосистемы плотность популяций видов-нитрофилов будит возрастать. Пороговым значением антропогенной нагрузки следует считать повышение плотности популяции видов-нитрофилов на 20 % от общей численности видов на исследуемом участке, а критическим значением - на 50 % [15, с. 23; 16, с. 17-26].
Анализ эффектов, проявляющихся на разных уровнях насыщения азотом экосистем, проводился на основе концепции, предложенной Аббером с соавторами [4, р.220-224]. Согласно предлагаемой концепции, при долговременном воздействии техногенных соединений азота на природные экосистемы выделяют 3 стадии их трансформации. На первой стадии - иммобилизации - происходят изменения в соотношении почвенно-химических процессов: минерализации, иммобилизации; на второй стадии - насыщения - изменяется режим питания и роста растений; на третьей - стадии избытка азота - изменяется видовой состав в биоценозе (происходит сокращение биоразнообразия) и проявляются другие неблагоприятные эффекты.
Опираясь на методы, разработанные в отечественной экотоксикологии [11, с. 54; 16, с. 31], границу перехода экосистем из стадии иммобилизации в стадию насыщения можно охарактеризовать как превышение порогового значения, т.е. такого значения аккумуляции азота в природной экосистеме, при котором сохраняется современный режим функционирования. Переход из стадии насыщения в стадию избытка характеризуется превышением критического значения, т.е. уровня, при котором происходит гибель лесов хотя бы в одном видовом состоянии, характерном для данного региона в настоящее время [15, с. 54; 16, с. 21]. При оценке степени трансформации лесов в результате воздействия техногенных соединений азота необходимо учитывать негативные изменения как в почвенно-геохимических показателях (изменение в соотношении нитратных и аммонийных форм в почве, снижение соотношения С:Щ почв в связи с усилением минерализации органического вещества), так и на уровне растительных сообществ и отдельных видов (популяций): изменение видового состава и ухудшение ассоциированности доминантов.
Для того, чтобы провести сравнительный анализ полученных данных и определить степень трансформации лесных ландшафтов Подмосковья нами был использован метод балльных оценок, который позволяет сравнивать между собой количественные и качественные показатели [17, с.
23]. Усилению процессов трансформации соответствовало повышение значений присваиваемых баллов. Так, процессам, характерным для стадии иммобилизации присваивался балл, равный 1, насыщения - 2 и избытка - 3. Если процесс не был отмечен для какого-либо участка, то этому соответствовало значение равное 0. Степень трансформации оценивалась суммированием полученных баллов. Согласно предлагаемым принципам оценки, превышение порогового значения соответствует 2 баллам, а превышение критического значения - 8 баллам. Индикаторные критерии, использованные нами для анализа степени трансформации лесных экосистем Московской области, и соответствующие им баллы представлены в таблице 1.
Таблица 1: Критерии балльной оценки степени трансформации лесных экосистем в связи с воздействием техногенных соединений азота__________________________________
Процессы, происходящие на стадии Присваиваемый балл
Если отмечается параметр Если не отмечается параметр
Стадия иммобилизации
Соотношение Щ-Щ03/Щ-ЫН4 в атмосферных осадках выше 1 1 0
Соотношение Щ-Щ03/Щ-ЫН4 в почве выше 1 1 0
Превышение порогового значения -2 балла
Стадия насыщения
Содержание минерального азота в атмосферных осадках превышает критические значения для олиготрофных и мезотрофных видов (0,4-0,6 мгЩ/л) 2 0
В напочвенном покрове преобладают виды, приспособленные к высокому содержанию азота в почве (Urtica dioica L., Geum urbanum L., Humulus lupulus L.и т.п) 2 0
В структуре напочвенного покрова присутствуют виды нитрофилы (10-20 % от общего числа видов) 2 0
Превышение критического значения - 8 баллов
Стадия избытка
Содержание минерального азота в атмосферных осадках превышает критические значения для злакового разнотравья (1-2 мгМл) 3 0
В напочвенном покрове преобладают виды нитрофилы (3050% от общего числа видов) и отсутствуют олиготрофные виды 3 0
Процессы, происходящие на стадии Присваиваемый балл Если отмечается параметр Если не отмечается параметр Стадия иммобилизации
Соотношение Щ-Щ03/Щ-ЩН4 в атмосферных осадках выше 110 Соотношение Щ-Щ03/Щ-ЩН4 в почве выше 1 10
Превышение порогового значения -2 балла Стадия насыщения
Содержание минерального азота в атмосферных осадках превышает критические значения для олиготрофных и мезотрофных видов (0,4-0,6 мгЩ/л) 2 0
В напочвенном покрове преобладают виды, приспособленные к высокому содержанию азота в почве (Шюа dioica L., Geum игЬапит L., Нити1ш 1ири1ш L.и т.п) 2 0
В структуре напочвенного покрова присутствуют виды нитрофилы (10-20 % от общего числа видов) 2 0
Превышение критического значения - 8 баллов Стадия избытка
Содержание минерального азота в атмосферных осадках превышает критические значения для злакового разнотравья (1-2 мгЩ/л) 3 0
В напочвенном покрове преобладают виды нитрофилы (30-50% от общего числа видов) и отсутствуют олиготрофные виды 3 0
Обсуждение результатов
Проведенный анализ трансформации лесных экосистем в связи с воздействием техногенных соединений азота выявил пространственную неоднородность в характере проявления тех или иных экологических эффектов для различных типов леса. На рисунке 1 представлены результаты балльной оценки, выполненной в соответствии с рассмотренными выше принципами. Согласно полученным данным, для лесных биогеоценозов Московской области характерны
разные стадии трансформации азотного статуса.
По нашим оценкам на стадии иммобилизации находятся экосистемы двух КУ (осинник неморальный и сосняк зеленомошник), которые располагаются в Восточной части области. Состояние большинства исследованных экосистем соответствует стадии насыщения (балл 3-7), то есть можно говорить о том, что для них превышено пороговое значение концентрации азота, что ведет к смене осовремененного режима функционирования. Не выявлено лесных участков на стадии избытка азота, но для двух КУ рассчитанный балл 8 соответствует критическому значению.
ельншщ сосняки березняки синники
19 8 16 5 20 14
25 11 13 12 1 48 50 3
26 42 30 40 31 33 51 38
Номер ключевого участка
Поступление азота с атмосфенрными выпадениями по группам леса: 1 - 0,2-0,4м^/л; 2 - 0,4-1 м^/л; 3-1-2 м^/л
Рисунок 1: Распределение биогеоценозов КУ по стадиям трансформации азотного статуса
Анализ данных по атмосферной поставке оксидов азота на территории области и полученных результатов оценки степени трансформации лесных экосистем позволяет дать прогноз того, какие изменения в функционировании лесов могут произойти при сохранении существующих параметров антропогенного воздействия. К лесным экосистемам, в которых произойдут наиболее сильные изменения в структуре и функционировании, могут быть отнесены сосняки с преобладанием олиготрофных и мезотрофных видов в напочвенном покрове, а так же мелколиственные леса с преобладанием лугово-опушечных видов. Экологическое состояние этих лесов по нашим оценкам соответствует стадии насыщения, а атмосферная поставка азота превышает критические уровни для олиготрофных видов напочвенного покрова.
К лесным экосистемам, где при сохранении современного уровня эмиссии оксидов азота произойдут менее значимые изменения, относятся ельники и ельники с примесью лиственных пород, в напочвенном покрове которых преобладают лугово-опушечные виды. Эти ключевые участки располагаются в зоне высокой техногенной поставки соединений азота, что объясняет их экологическое состояние, соответствующее стадии насыщения. В долговременной перспективе, сохранение существующих параметров эмиссии оксидов азота и соответствующих ей уровней поступления азота будут определять переход этих лесов на стадию избытка, характеризующуюся различными экологическими нарушениями.
Благополучную экологическую ситуацию и незначительные изменения при сохранении современного уровня атмосферной эмиссии соединений азота можно прогнозировать для смешанно-широколиственных и хвойно-широколиственных лесов с преобладанием в напочвенном покрове злакового разнотравья. Большинство из данных экосистем находятся на стадии иммобилизации или перехода к стадии насыщения, но для них не наблюдается превышений концентраций азота для основных видов напочвенного покрова.
Заключение
В условиях интенсивной эмиссии оксидов азота лесные экосистемы подвергаются сильному антропогенному воздействию, в результате которого происходят изменение в их структуре и функционировании. Согласно выполненным исследованиям, на территории
Московской области к лесным экосистемам, подверженным наиболее сильным изменениям в результате данного воздействия, относятся сосняки с преобладанием олиготрофных и мезотрофных видов в напочвенном покрове, а так же мелколиственные леса с преобладанием лугово-опушечных видов. Наименьшие изменения в структуре и функционировании лесов на территории Подмосковья можно прогнозировать для смешанно-широколиственных и хвойношироколиственных лесов с преобладанием в напочвенном покрове лугово-опушечных видов.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-04-31795.
The article deals with the influence of anthropogenic emissions of nitrogen oxides on the structure and function of forest ecosystems of the Moscow region. Assessment of the transformation of forest ecosystems due to increased atmospheric deposition of nitrogen oxides is based on the evaluation of scores.
The key words: nitrogen, forest ecosystems, the transformation of ecosystems, the stage of saturation of nitrogen.
Список литературы:
1.Аверкиева И.Ю., Припутина И.В. Оценка влияния техногенной эмиссии NОх на питательный режим лесных биогеоценозов Подмосковья // Вестник Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова, 2011, т.17, № 3. С. 51-57.
2. Bobbink R., Ashmore M., Braun S. et al. (2003). Empirical nitrogen critical loads for natural and semi-natural ecosystems: 2002 update. In: Empirical critical loads for Nitrogen. Environmental Documentation No. 164. Eds. D. Achermann & R. Bobink. SAEFL, Bern. pp. 43-170.
3. Sutton M., Reis S., Baker S.M. (Eds.) (2009) Atmospheric Ammonia: Detecting emission changes and environmental impacts. Results of an Expert Workshop under the Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, Springer, pp. 15-40.
4. Aber J.D. (1992) Nitrogen cycling and saturation in temperature forest ecosystems // Reds Ecol. Evol. 7 (7), pp. 220-224.
5.Кудеяров В.Н. Цикл азота в почве и эффективность удобрений. М.: Наука, 1989 - 216 с.
6.Башкин В.Н. Агрогеохимия азота. Пущино: ОНТИ НЦБИ, 1987.- 270 с.
7.Припутина И.В. Распределение соединений азота в ландшафтах Московской области. Автореф. дисс. канд. геогр. наук. М., 1996.
8.Разработать научные основы экологического нормирования антропогенного воздействие на экосистемы суши. Электронный справочник. 1990,114 с.
9. Куценко С.А. Основы токсикологии, С-Петербург, Изд-во Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова. 2002. 395 с.
10. Василенко В. Н., Назаров И. М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова Л.: ГИМИЗ, 1985. 182 с.
11. Глазовский Н.Ф. Геохимические потоки в биосфере и их сопряженный анализ// Биогеохимические циклы в биосфере. М.: Наука. 1976. С. 142-153.
12. Бобрицкая М.А. Поступление азота в почву с атмосферными осадками в различных зонах Европейской части СССР // Почвоведение. 1962. № 12. с.34-37.
13. Федорец Н.Г., Бахмет О.Н. Экологические особенности трансформации соединений углерода и азота в лесных почвах. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2003, 240 с.
14. Заугольнова Л.Б. Оценка степени динамичности ценопопуляций растений. М.: Наука, 1985. С.45-63.
15. Стандарты охраны природы. М.: Наука, 1985.
16.Принципы и методы определения норм нагрузок на ландшафты. - М.:
ИГ АН СССР, 1987. - 32 с.
17. Метод комплексного (ландшафтного) профилирования и балльной оценки природнотерриториальных комплексов: учеб.-метод. пособие. /О. П. Ермолаев, С.Г. Курбанова и др.-Казань: Казан.ун-т., 2011, 36 с.
Об авторе
Аверкиева И. Ю. - младший научный сотрудник лаборатории моделирования экосистем Федерального бюджетного учреждения Российской академии наук Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, averkieva25@rambler.ru
ANALYSIS OF THE TRANSFORMATION OF FOREST ECOSYSTEMS OF MOSCOW REGION DUE TO THE IMPACT TECHOGENIC EMISSION NITROGEN OXIDES IS BASED ON
THE EVALUTION OF SCORES. I.Y. Averkieva
