CC BY
25
УДК 550.4; 911.52
ЭКОСИСТЕМНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ КРИТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
И ИХ АНАЛИЗ
1В.Ф. Евтюхин, к.с.-х.н., 2Ю.А. Блохова
1Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева 2Управление Росприроднадзора по Рязанской области e-mail: [email protected]
Цель построенного на моделировании подхода к расчету критических нагрузок состоит в том, чтобы связать, при помощи математических уравнений химический критерий (критический предел) с максимальным отложением, ниже которого нет существенных вредных воздействий на заданные чувствительные элементы окружающей среды, т.е. при котором данный критерий не нарушается. Выбор критического предела — важный этап выведения критической нагрузки, и большая часть неопределенности в расчетах критических нагрузок происходит от неопределенности связи между химией и биологическим последствием.
Ключевые слова: экосистема, загрязняющие вещества, критические нагрузки, эвтрофирующий азот.
ECOSYSTEM APPROPRIATENESS OF CRITICAL LOADS AND ANALYSIS OF IT
V.F. Evtyuhin, Yu.A. Blokhova
The purpose of a model-based approach to calculating critical loads is to link, via mathematical equations, a chemical criterion (critical limit) with the maximum deposition(s) 'below which significant harmful effects on specified sensitive elements of the environment do not occur', i.e. for which the criterion is not violated. The choice of the critical limit is an important step in deriving a critical load, and much of the uncertainty in critical load calculations stems from the uncertainty in the link between (soil) chemistry and biological impact.
Keywords: ecosystem, pollutants, critical loads, nutrient nitrogen.
Критическая нагрузка (KH) максимальное поступление загрязняющих веществ, которое не сопровождается необратимыми изменениями в биохимической структуре, биоразнообразии и продуктивности экосистем в течение длительного времени, т.е. 50-100 лет.
Отправной точкой расчета критических нагрузок питательного азота служит массовый баланс всего азота (N) в рассматриваемом отделе почвы (поступления = приемники + удаления):
Ndep+ Nft,- NOJ + Nt+ Nu+ Nems+ Nflre + Nm! + Nk (1),
где: Njep = валовые атмосферные выпадения N; Nflx = поступление N путем биологической фиксации; Naj = адсорбция N; Nt = долгосрочная чистая иммобилизация N в органическом веществе почвы; Nu = удаление N через заготовки биомассы; Nje = эмиссия N в атмосферу в газообразной форме в процессе денитрификации; Neros = потери N при эрозии; Щге = потери N с дымом из-за пожаров; Nvoi = потери N в атмосферу через улетучивание NH3; Nie = выщелачивание N ниже корневой зоны. Используемые единицы - г-экв/га/год.
Следующие допущения ведут к упрощению уравнения 1: адсорбция азота, глинистыми минералами может временно привести к накоплению азота в почве, однако он накапливается только, когда отложение меняется', поэтому им можно пренебречь при рассмотрении установившегося состояния; фиксация азота ничтожно мала в большинстве (лесных) экосистем; потери азота при пожарах, эрозии малы в большинстве экосистем Европы, и как правило ими пренебрегают. Выщелачиванием аммония (NH4) можно пренебречь во всех лесных экосистемах из-за интенсивного биопоглощения, сорбции глинами и полной нитрификации внутри корневой зоны (M/4jte = 0,Nk = NOye).
При таких упрощающих допущениях уравнение 1 принимает вид:
= К + К + + (2).
Из этого уравнения, путем определения допустимого предела выщелачивания азота получается значение
критической нагрузки. Выбор этого предела зависит от того, какой «чувствительный элемент окружающей среды подлежит защите. Если допустимое выщелачивание подставить в уравнение 2, отложение азота становится критической нагрузкой питательного азота, СЬШ£Ы)\ СЬШ (Л/) = М- + Л/В + Ще + ХНасс) (3)
Nde=fde х (ЫЛер-К,\-Ыц), если> N + в противном случае = 0 (4),
где fde (0 < fde < 1) — так называемая доля денитрификации, число, присущее данному объекту. Эта формулировка подразумевает, что иммобилизация и впитывание являются более быстрыми процессами, чем денит-рификация. Подстановка этого выражения вместо в уравнении 2 и решение для данного отложения приводит к следующему выражению критической нагрузки питательного азота:
СЬШ, (Ы) = М1 + Ми+ ЫНасс) /1 -/ек (5).
Значение, устанавливаемое для допустимого выщелачивания азота, зависит от «вредных эффектов», которых следует избежать. В сущности, «вреден» не сам поток, выщелачивающий азот, а концентрация азота в потоке выщелачивания. Допустимое выщелачивание азота (г-экв/га/год) рассчитывают так:
N¡^00) = в* [Щасс (б),
где [Щасс - допустимая концентрация азота (г-экв/м3), Q - избыток осадков (м3/га/год).
Символ N1 обозначает долгосрочную иммобилизацию азота в корневой зоне, т.е. непрерывное наращивание устойчивых соединений углерода и азота в почвах. Данная иммобилизация азота не должна вести к серьезным изменениям в преобладающем отношении СЖ. Исполь-
зуя данные по шведским участкам лесной почвы, оценили годичную иммобилизацию азота со времени последнего оледенения в 0,2-0,5 кг К/га/год. Учитывая, что иммобилизация азота вероятно выше в более теплых климатах, для М можно использовать значения вплоть до 1 кг К/га/год, не вызывая невыносимой аккумуляции азота в почве. Следует однако отметить, что в расчетах критической нагрузки использовались даже более высокие значения. Несмотря на проводившиеся исследования способности лесов к абсорбции азота, консенсус относительно долгосрочных терпимых скоростей иммобилизации все еще отсутствует [1,2].
Денитрификация (ЛУ в северных и умеренных экосистемах находится в пределах 0,1-3,0 кг К/га/год (7,14-214,3 г-экв/га/год), причем наивысшие значения относятся к (более) влажным почвам; скорости для хорошо дренируемых почв обычно ниже 0,5 кг Ы/га/год. Значения доли денитрификации /с1е = 0,8 для торфяных почв, 0,7 для глинистых почв, 0,5 для песчаных почв с глеевыми признаками и /¿е = 0-0,1 для песчаных почв без глеевых признаков соотнесли долю денитрификации со статусом: чрезмерный - 0, хороший - 0,1, умеренный - 0,2, несовершенный - 0,4, плохой - 0,7, очень плохой - 0,8.
Избыток осадков Q - это количество воды, просачивающейся из корневой зоны. Оно удобно рассчитывается как разность между осадками и действительной эва-потранспирацией.
О: гидротермический коэффициент, характеризующий период года со среднесуточной температурой выше 5 °С. Коэффициент рассчитывается как отношение суммы среднесуточных температур выше 5 "С к сумме (по модулю) всех среднесуточных температур за год.
О: определяли на основе данных метеостанции Елатьма, которая служит базовой для Рязанской области и непрерывно функционирует с 1886 г.
Сумма температур выше 5 °С в данном случае ассоциируются с биологически активными температурами. Обычно суммой биологически активных температур в агрономических оценках считается сумма средних су-
точных температур за период года, когда они устойчиво превышают +10 °С. Для характеристики почвенных процессов целесообразно использовать пороговую величину +5 °С, что соответствует зарубежным подходам [3].
Основным фактором, определяющим величины критической нагрузки на фоновые экосистемы, является биопродукционный процесс (табл. 1, 2). В соответствии с его вариациями различия в критических нагрузках между основными типами экосистем достигают 8 раз; минимальные величины характерны для торфянистых почв и соответствующих им растительных сообществ; максимальные величины для серых лесных почв. К минимальным значениям достаточно близки критические нагрузки, характерные для сообществ сосновых лесов на дерново-подзолистых почвах (лишь в 1,5 больше минимальных значений), влажных елово-широколиственных лесов на северных пойменных почвах — главным образом в долине р. Пра, и заболоченных сосновых лесов на болотных торфяных почвах, ложбин и лощин Мещерской низменности (лишь в 2 раза больше минимальных значений). Промежуточное положение по величинам критических нагрузок - в 3 раза выше минимальных и 2,5 выше максимальных значений - занимает сообщества ясеневых дубрав на темно-серых лесных почвах, липовые леса, влажные дубравы (являются фоновыми экосистемами для южных пойменных почв, в том числе и поймы Оки), а также экосистемы верховых сфагновых облесенных болот сфагновых облесенных болот Мещеры.
Значительно более устойчивы к атмосферным выпадениям азота (величины СЬпи1 (И) ниже лишь в 1,5 раза их максимальных значений) являются экосистемы липовых лесов на светло-серых лесных почвах. Близки к максимуму критические нагрузки азота на елово-мелколиственные леса, соответствующие ареалу глеево-подзолистых почв. Но максимума величины критических нагрузок достигают в центре изучаемой территории и свойственны зональным сообществам, развивающимся в пределах ареала серых лесных почв.
Почва Растительное сообщество Среднее накопление в приросте, кг/га Средний возврат с опадом, кг/га Аккумуляция в биомассе, кг/га
1. Выщелоченный чернозем Дубрава осоковая и снытевая 83 61 22
2. Дерново-подзолистая Сосняк брусничник 27 16 11
3. Южная пойменная Дубрава влажная 67 47 20
4. Тёмно-серая лесная Дубрава ясеневая снытево -осоковая 91 72 19
5. Светло-серая лесная Липняк осоковый и снытевый 105 66 39
6. Серая лесная Осинник осоково-снытевый, дубрава осоково-снытевая, липняк осоково-снытевый 117,5 71,5 55,3
7. Болотно-торфянистая Сосновое и сфагновое болото 40 25 15
8. Торфянистая Ельник травяно-зеленомошный, березняк 52 45,5 6,5
9. Глеево-подзолистая Ельник осиново и березовый, березняк травный 124,5 80 44,5
10. Северная пойменная Еловая суборь влажная, судубрава влажная 60 45,95 14,05
11. Песчаная Сосновое искусственное насаждение 139 116 23
1. Почвенно- и биогеохимические закономерности накопления азота в фитомассе (составлено нами по среднезональным оценкам) [2]
2. Величины минимальных критических нагрузок соединений азота в зональных и азональных типах экосистем Рязанской области
Почва Критическая нагрузка CLmt (N) (кг/га*год)
1. Выщелоченный чернозем 24,9
2. Дерново-подзолистая 11,50
3. Южная пойменная 21,94
4. Тёмно-серая лесная 20,71
5. Светло-серая лесная 42,79
6. Серая лесная 56,65
7. Болотно-торфянистая 16,96
8. Торфянистая 8,06
9. Глеево-подзолистая 45,56
10. Северная пойменная 15,26
11. Песчаная 23,43
Как свидетельствует рисунок, итоговая величина критической нагрузки азота лишь в незначительной степени определяется процессами его почвенной трансформации (в используемых нами терминах - величинами №, №*, Ше). Процессы, характеризуемые данными величинами, вносят вклад в величину критических нагрузок в размере 5,3 - 0,25%, максимально - в условиях
темно-серых лесных почв, минимально - в условиях глеевых и подзолистых почв [4-6].
Наиболее активная трансформация азота идет в наиболее плодородных почвах с оптимальным соотношением тепла и влаги и максимальной микробиологической активностью: во-первых, в темно-серых лесных почвах, во-вторых — в черноземах. К последним, главным образом за счет вклада денитрификации, примыкают северные пойменные почвы. Наименее эффективен процесс трансформации азота в переувлажненных экосистемах, в первую очередь болотных, а также в почвах, менее гумусированных при относительно оптимальном увлажнении - серых лесных и особенно «серопесчаных» на перевеянных песках. Дерново-подзолистые почвы более активны в процессе трансформации азота атмосферных выпадений, чем серые лесные — подобно северным пойменным за счет денитрификации в весенний период.
Таким образом, вклад почвенных процессов в величины критических нагрузок определяется в конечном счете степенью оптимальности функционирования почвенных микробоценозов, и зональный максимум приурочен к темно-серым лесным почвам, встречающимся в основном на юге региона в пределах Среднерусской возвышенности и Окско-Донского плоскоместья.
2,5--1
С 2
i 1,5 -
■ фактическая иммобилизация □ водная миграция (допустимый уровень)
5 6 7
тип экосистем
Рис. 1. Оценка интенсивности процессов почвенной трансформации азота в основных почвенно-растительных группировках региона
Литература
1. Глазовская М.А. Методические основы оценки эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям // Методическое пособие, 1997. - 71 с.
2. Паулюкявичус Г., Грабаускене И. Устойчивость природных систем к антропогенным воздействиям. - Вильнюс: Мокслас, 1989.-112 с.
3. Руководство по моделированию и картированию критических нагрузок // Конвенция ЭКЕ ООН по трансграничному загрязнению воздуха на большие расстояния, 2004.
4. Семенкж О.В. Устойчивость аллювиальных почв реки Оки к антропогенному влиянию // Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям: Тез. докл. Всерос. конф., 24-25 апреля 2002 г. - М., 2002. - С. 373.
5. Семенов М.Ю., Башкин В.Н., Семенов Ю.М. Биогеохимические подходы к оценке устойчивости лесных экосистем к атмотехногенному загрязнению // Геохимия ландшафтов, палеоэкология и этногенез. - Улан-Удэ, 1999. С. 382-383.
6. Уваров Г.И. Устойчивость почв лесостепи к антропогенному воздействию // Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям: Тез. докл. Всерос. конф., 24-25 апреля 2002 г. - М., 2002. 96 с.
7. Черников В.А., Милащенко Н.З., Соколов O.A. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Книга 3. Устойчивость почв к антропогенному воздействию. - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2001. - 203 с.
