CC BY
55
2014 Географический вестник 1(28)
Экология и природопользование
ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 504.7
Л.А. Араратян, М.Г. Аветисян, А.Г. Сакоян ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОТОКОВ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВЫСОКОГОРНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ПО ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЯСНОСТИ
Рассматриваются закономерности изменения содержания органического углерода и азота в деградированных почвах альпийского и лугостепного поясов Арагацского горного массива по вертикальной поясности, особенности их поведения в системе почва - инфильтрационные воды -речная вода.
Ключевые слова: деградация; гумус; миграция; лизиметры; выщелачивание.
Введение
В связи с техническим прогрессом, развитием промышленности, сельского хозяйства и возрастающими потребностями населения нагрузка на экосистемы постоянно растет.
В настоящее время ухудшение экологического состояния окружающей среды достигло больших масштабов: нарушилось устойчивое развитие, на первый план вышли вопросы опустынивания, эрозии и деградации почв, исчезли многие, в том числе ценные для сельскохозяйственных животных виды растений, многие из них находятся на грани исчезновения. Существенно снизились плодородие почв и продуктивность растений, наблюдается сильное загрязнение вод, почв и растений тяжелыми металлами и другими элементами и веществами. На этом фоне состояние экосистем требует неотложных мер, направленных на их скорейшее восстановление и устойчивое развитие.
Задача исследований
Известно, что сельскохозяйственная деятельность оказывает существенное воздействие на запасы углерода и азота в почве, что особенно заметно на горных лугах республики. Их эмиссия в атмосферу, а также безвозвратное вымывание в грунтовые и поверхностные воды обусловлены типом использования (пастбище или сенокос) и методами ведения хозяйства.
Нашими исследованиями охвачены высокогорные луга и пастбища лугостепного и альпийского поясов Арагацского горного массива. Общей для обоих поясов проблемой является снижение плодородия почв и продуктивности растений, обусловленное прежде всего невосполнимостью потерь, связанных с выносом из почвы основных питательных элементов с биомассой растений, а также вымыванием их из почвы, в результате чего происходит загрязнение ими нижележащих экосистем, в т.ч. и рек, куда они в итоге попадают. Для горно-луговых почв Арагацского массива дополнительным фактором, способствующим их деградации, является ненормированный (ранний и длительный) выпас сельскохозяйственных животных, в частности овец (связанный с некоторыми особенностями их пастьбы). В результате этого нарушается структура почвы, оголяется почвенный покров, уменьшается содержания гумуса, поскольку наиболее богатые гумусом верхние почвенные частицы уносятся ветром, развиваются процессы опустынивания, наблюдаются нарушение дернового слоя и сползание дерна. В ряде случаев из-за вытаптывания почвы в результате пастьбы дерновый слой уплотняется и заболачивается [5].
Восстановление лугов и пастбищ, являющихся основой животноводства, - важнейшая задача для малоземельной Республики Армения. Достаточно отметить, что 40 % почв зоны естественных
* Араратян Л.А., Аветисян М.Г., Сакоян А.Г., 2014
Араратян Левон Александрович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Центра эколого-ноосферных исследований Национальной Академии наук Республики Армения, Республика Армения, 0025, г. Ереван, ул. Абовяна, 68; levon.araratyan@gmail.com
Аветисян Мариета Гамлетовна, кандидат географических наук, старший научный сотрудник Центра эколого-ноосферных исследований Национальной Академии наук Республики Армения, Республика Армения, 0025, г. Ереван, ул. Абовяна, 68; eco-centr@mail.rn
Сакоян Астхик Гургеновна, кандидат биологических наук, химик-аналитик Центра эколого-ноосферных исследований Национальной Академии наук Республики Армения, Республика Армения, 0025, г. Ереван, ул. Абовяна, 68; eco-centr@mail.ru
Экология и природопользование
кормовых угодий эродированы, потому можно говорить о риске, существующем для горных экосистем в целом [4].
Наша цель - исследовать трансформацию потоков некоторых основных биогенных элементов -СоргЛ и его соединений (ЫН Г.ЫСК и N00в почвах высокогорных лугов и пастбищ лугостепного и альпийского поясов Арагацского горного массива по вертикальной поясности, их соотношение и закономерности изменения количественного состава их потоков в системе почва -инфильтрационные воды - речные воды.
Материал и методика исследований
Исследования проводились в альпийском (горно-луговые дерновые почвы, 2700-3250 м н.у.м., пастбище) и лугостепном (лугово-степные почвы, 2080-2700 м н.у.м., сенокос) поясах южного склона горы Арагац. Пробоотбор почв проводился как с мониторинговых станций (МС), установленных в указанных поясах на высоте 3250 м (пункт Арагац) и 2080 м (пункт Амберд), так и с ряда других пунктов, расположенных между ними. Для определения выщелачивания элементов из почвы в инфильтрационные воды на мониторинговых станциях обоих поясов были поставлены плоско врезанные лизиметрические установки закрытого типа системы Шиловой [7]: кюветы для приема воды были врезаны под почвенные слои глубиной 0-10 см и 0-50 см так, чтобы не нарушить естественную структуру почв. В наших исследованиях использованы усредненные годичные данные за 2009-2012 гг. С помощью расчета средневзвешенного содержания были определены также содержания исследуемых элементов в 40-сантиметровом слое (10-50 см), что дало возможность установить динамику перехода элементов из слоя 0-10 см в слой 10-50 см (расчеты просты: если содержание в слое 0-10 см обозначим через х, в сорокасантиметровом (10-50 см) слое - у, а в слое 0-50 см - х, то формула примет вид (10х + 40у):50 = т). Если известны 2 показателя, нетрудно рассчитать третий. В нашем случае для 40-сантиметрового слоя 10-50 см уравнение примет вид
у = (50г - 10х): 40).
Анализ содержаний исследуемых элементов и соединений азота проводился по общепринятым в агрохимии методикам: азот определялся по Кьелдалю, Сорг - по Тюрину, аммонийный азот - в солевой вытяжке (0,1 нормальный раствор хлорида калия, соотношение 1:10), нитратный азот - в водной вытяжке (1:5) по методу Грандваля-Ляжу, с использованием атомно-абсорбционного метода.
Результаты и их обсуждение
Одним из наиболее ощутимых последствий деградации экосистем Арагацского горного массива является уменьшение содержания гумуса, в результате чего не только падают плодородие почв и продуктивность растений, но и нарушаются многие свойства почв, изменяется их структура. В результате падения продуктивности растений уменьшается использование основных биогенных элементов растениями, а это в свою очередь ведет к тому, что многие элементы, высвобождаясь после процессов минерализации гумуса, выщелачиваются и попадают в инфильтрационные воды, реки и водные бассейны, загрязняя их. Изменяется естественное соотношение в почве основных биогенных элементов, нарушается количественный состав потоков элементов, проходящих через экосистему, а также между экосистемами.
Об уменьшении содержания гумуса в исследуемых почвах свидетельствует сопоставление наших данных с тридцатилетними данными Г.Б. Бабаяна[2]. Согласно его данным, содержание гумуса в лугово-степных почвах составляло 6-15 %; для горно-луговых дерновых почв наблюдался большой разброс в величине гумуса, связанный с наличием в основном 3 разновидностей горно-луговых почв: содержание гумуса в слабо дерновых и дерновых почвах составляло около 12,2 %, а в дерновоторфянистых - 22,4-33,6%. В настоящее время содержание гумуса в исследуемых почвах уменьшилось примерно втрое.
Физико-географические условия, в которых распространены указанные почвы, накладывают свой отпечаток на характер миграции биогенных элементов. Это, в частности, больше касается горнолуговых дерновых и дерново-торфянистых почв альпийского пояса, где вследствие длительного зимнего периода (около 7-8 месяцев) и последующего 1-1,5-месячного срока оттаивания почвенного слоя после таяния и схода снега очень сокращен период вегетации растений и сильно замедлены процессы гумификации органического вещества почв и минерализации гумуса.
На рис. 1 приведены кривые изменений содержания органического углерода и азота по вертикальной поясности с пункта Амберд (МС, 2080 м, лугостепной пояс) и до пункта Арагац в альпийском поясе (МС, 3250 м). Нетрудно заметить, что из-за наличия нескольких разновидностей горно-луговых почв, сильно отличающихся содержанием гумуса в альпийском поясе, содержание как азота, так и углерода здесь варьирует в больших пределах
Экология и природопользование
(пункты 5 и 6). Однако наиболее важным является параллелизм в изменении содержания этих элементов по исследуемым пунктам.
Общеизвестно, что именно содержание углерода прежде всего ограничивает продуктивность растений, в составе живого вещества он является первичным элементом, который вместе с О, Н, N и некоторыми другими макроэлементами формирует тело растений. Поэтому соотношение наиболее важных биогенных элементов в растениях и в составе гумуса довольно постоянно. Зачастую даже небольшой недостаток одного из них в почве может оказаться ограничивающим фактором повышения продуктивности растений. Рассчитанный нами коэффициент корреляции между Сбрг и N оказался равным 0,76, что указывает на довольно тесную связь между ними.
Однако параллелизм в изменении содержания углерода и азота можно объяснить не только потребностью в них растений. Есть еще один немаловажный фактор - это их положение в периодической таблице Менделеева. Известно, что физико-химические свойства элементов тесно связаны со строением их электронных оболочек и ионизационным потенциалом. Углерод и азот, расположенные в числе семи главнейших макроэлементов компактно в одной и той же подгруппе р-семейства, причем рядом [3], являются элементами-аналогами. Возможно, именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что даже в деградированных почвах наблюдается тесная связь между ними.
0,4-5
0,25 -
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 1. Динамика изменения содержания органического углерода и азота в почвах Арагацского горного массива
по вертикальной поясности, % в слое 0-20 см На оси абсцисс цифрами приведены номера пунктов, с которых взяты образцы почв. Ниже приводятся наименования этих пунктов и их высоты (м н.у.м): 1 - Амберд, мониторинговая станция, 2080 м н.у.м.; 2 - Амберд; За оградой мониторинговой станции, 2080 м н.у.м.; 3 - Арагац, 2800 м н.у.м.; 4 - Арагац, 3146 м н.у.м.; 5 - Арагац, 3200 м н.у.м.; 6 - Арагац, за оградой мониторинговой станции, 3250 м н.у.м.; 7 - Арагац, мониторинговая станция, 3250 м н.у.м. Коэффициент корреляции между содержанием Сорг и N составляет 0,76
Одним из параметров трансформации потоков элементов-аналогов является изменение их соотношения в зависимости от вертикальной поясности или при переходе из одного природного
Экология и природопользование
объекта в другой в одном и том же поясе. Ниже (табл. 1) приведены данные количественных отношений элементов-аналогов СоргЛЧ в почвах альпийского и лугостепного поясов.
Таблица 1
Соотношение СоргЛЧв почвах Арагацского горного массива по вертикальной поясности
Арагац. МС* 3250 м н.у.м. Арагац, за оградой МС, 3250 м н.у.м. Арагац, 3200 м н.у.м. Арагац, 3146м н.у.м. Арагац, 2800 м н.у.м. Амберд, за оградой МС, 2080 м н.у.м. Амберд, МС, 2080 м н.у.м.
21 22 26 23 24 27 25
*МС - мониторинговая станция
Данные показывают, что отношение Сорг ЛЧ колеблется в пределах 21-27, при этом наблюдается тенденция к повышению этого отношения от альпийского пояса вниз по вертикальной поясности к лугостепному.
Хотя процессы, идущие в экосистемах, очень сложны и для их более точной оценки требуются скрупулезные исследования многочисленных факторов, тем не менее мы приближенно можем оценить результаты их воздействия и установить возможные тенденции в трансформации их потоков. По данным Александровой [1], количественное соотношение СоргЛЧ в горно-луговых почвах составляет 12,8, а в каштановых (которым соответствуют исследуемые нами лугово-степные почвы) -12,9 (данные Александровой приведены отдельно по гуминовым кислотам и фульвокислотам, мы же приводим их после усреднения обоих показателей). Объясняется ли это расхождение между нашими и приведенными литературными данными деградированностью исследуемых нами почв или обусловлено своеобразием местных почвенно-климатических условий, мы пока не можем сказать, скорее всего, присутствуют оба фактора.
Мы проследили пути миграции потоков элементов-аналогов СоргЛЧ и в водных циклах: инфильтрационные воды - речная вода (табл. 2).
Таблица 2
Соотношение СоргЛЧ в лизиметрической (взятой со слоя 0-50 см почвы) и речной водах по вертикальной
поясности Арагацского массива
Тип воды Место взятия образца, высота, м н.у.м. Cop/N
Лизиметрическая Арагац, МС, 3250 м н.у.м. 435
Амберд, МС, 2080 м н.у.м. 129
Среднее 278
Речная р. Амберд, у истока 773
р. Амберд, ниже по течению от истока на 1 км 766
МС* - мониторинговая станция.
Как видим, в лизиметрических растворах отношения Copr/N составляют 435 (Арагац, МС, 3250 м н.у.м.) и 129 (Амберд, МС, 2080 м н.у.м.). При дальнейшей водной миграции это соотношение для речной воды еще больше повышается. Полученный нами миграционный ряд для отношения Copr/N сверху вниз по вертикальной поясности в системе почвы - лизиметрические растворы - речная вода, соответствующий величинам (21-27) —► (129-435) —► 773, показывает, что при водной миграции совершается довольно интенсивный вынос углерода в речные воды (по сравнению с азотом).
Хорошим показателем для количественной оценки предпочтительного перехода из одного объекта в другой какого-либо из элементов-аналогов относительно другого (в нашем случае Сорг и N) является величина «наблюдаемые отношения» (НО), которая представляет собой отношение содержаний элементов-аналогов в последующем при миграции объекта относительно предыдущего.
Экология и природопользование
Таблица 3
Изменение НО Copr/N по вертикальной поясности Арагацского горного массива
сог,м НО
В лизиметрической воде горно-луговой почвы (со слоя 0-50 см4) 20,7
В почве с того же пункта
В лизиметрической воде лугово-степной почвы (со слоя 0-50 см) 5,2
В почве с того же пункта
Среднее 13,0
В речной воде (р. Амберд. V истока') В лизиметрической воде (среднее от обоих лизиметров) 2,7
В речной воде (р. Амберд. V истока') В почве (среднее по всем почвам) 32,2
При этом возможны три случая: если НО выше единицы, то это говорит о предпочтительном переходе в другой объект элемента, находящегося в числителе отношения Сорг относительно N. Если НО меньше единицы, то мы имеем предпочтительный переход элемента, находящегося в знаменателе отношения. При равенстве НО единице предпочтения нет. В нашем случае (табл. 3) мы получили, что при переходе Сорг из почвы в инфильтрационные воды Н0=20,7 - для пункта Арагац (МС, 3250 м н.у.м.) и 5,2 - для пункта Амберд (МС, 2080 м н.у.м.), наблюдается предпочтительный переход в инфильтрационные воды из почвы углерода относительно азота в обоих поясах. Аналогично этому мы получили 2,8-кратный предпочтительный переход из инфильтрационных вод в речные углерода относительно азота (поскольку грунтовые воды, идущие с вышестоящих экосистем, смешиваются с таковыми в нижерасположенных экосистемах, мы усреднили значения Copr/N в лизиметрических растворах обоих поясов и использовали в расчетах их среднее значение). Как видим, отмечается довольно четко выраженное расхождение путей миграции органического углерода и азота в системе почва - инфильтрационные воды - речные воды с увеличением степени предпочтительного перехода из одной системы в другую органического углерода. В итоге мы получили 32-кратный предпочтительный переход в речную воду из исследуемых почв углерода (относительно азота).
В табл. 4 приведены содержания Сорг, N и их соединений в лизиметрических растворах луговостепных и горно-луговых дерновых почв по слоям 0-10 и 10-50 см, откуда видно, что содержание исследуемых элементов и соединений в лизиметрическом растворе дерновых почв меньше по сравнению с лугово-степными, за исключением углерода.
Таблица 4
Содержание углерода и азота в лизиметрических растворах горно-луговых и горно-степных почв
Пункты, высота (м н.у.м.) Глубина, см Сорг. N NH4+ NOi NOi
мг/л
Арагац, МС* 3250 0-10 420 1.86 0.39 0.17 6.6
10-50 460 0.89 0.48 0.21 1.9
0-50 450 1.08 0.46 0.25 2.8
Амберд, МС 2080 0-10 380 2.27 0.53 0.26 7.7
10-50 270 2.25 0.68 0.07 6.8
0-50 290 2.24 0.64 0.11 7.0
Содержание их колеблется в небольших пределах, однако для пункта Амберд наблюдается определенная тенденция уменьшения их содержания с глубиной, за исключением иона 1ЧН4+, причем для N02" это уменьшение значительно (в 4 раза). Для горно-луговых почв тенденция обратная, исключение составляет N03", содержание которого в нижнем слое в 3,5 раза меньше, чем в верхнем,
Экология и природопользование
что оказало существенное влияние и на суммарное содержание общего азота. Указанная тенденция, очевидно, обусловлена рядом причин: количеством осадков, которое в альпийском поясе значительно выше по сравнению с лугостепным, более кислой реакцией дерновых почв и большей деградированностью их верхнего слоя из-за нерационального выпаса.
На основании данных табл. 4 о содержании азота в лизиметрических растворах альпийского и лугостепного поясов, взятых с глубины почвенного слоя 0-50см, мы рассчитали величины потерь азота из этих почв. Известно, что в альпийском и лугостепном поясах количество осадков в год составляет в среднем соответственно 900 и 500 мм [6]. Если учесть (табл. 4), что содержание азота в лизиметрическом растворе, взятом с глубины 0-50 см горно-луговой почвы, составляет 1,08 мг/л, то с применением данных об осадках для указанного пояса получим следующую величину потерь: 1,08мг/лх900мм (литр/год/м2)-х 10000м2=9,7кг/га. Соответственно для лугостепного пояса потери составили 11,2 кг/га.
Таблица 5
Изменение содержания соединений азота в лизиметрических (0-50 см) и речных водах по вертикальной
поясности Арагацкого массива, мг/л
Пункты Тип воды ЫН/ Ы02- N0/
Арагац, МС* Лизиметрическая 0.46 0.25 2.8
Амберд, МС 0.64 0.11 7.0
р. Амберд, у истока Речная 0.17 0.18 4.0
р. Амберд, через 1 км вниз по течению 0.20 0.21 3.2
В табл. 5 приведены содержания соединений азота в лизиметрических и речных водах. Известно, что при минерализации гумуса первичным продуктом его разложения является ион ЫН4 . который затем переходит в N02" и далее в N03'. Дальнейшая трансформация соединений азота приводит к образованию N20, который улетучивается в верхние слои атмосферы и, достигая озонового экрана стратосферы, приводит к его разрушению, способствуя этим проникновению пагубных для человека ультрафиолетовых лучей в биосферу. В приведенном ряду соединений азота N03" является наиболее растворимым и потому наиболее подверженным выщелачиванию. Именно поэтому его содержание при переходе из инфильтрационных вод в речные почти не претерпевает изменений. Как видно из таблицы, содержания N03" в речной воде укладываются в пределы, установленные для лизиметрических растворов альпийского и лугостепного поясов.
Сходная картина отмечается и по иону N02". №1/, наиболее прочно связанный с почвенным поглощающим комплексом, поступает в речную воду в количестве, в 3-4 раза уступающем его содержанию в лизиметрическом растворе.
Выводы
Проведенные исследования показали наличие параллелизма в изменении содержания СфГ и N в лугово-степных и горно-луговых почвах по вертикальной поясности, что объясняется также близостью физико-химических свойств элементов-аналогов углерода и азота, обусловивших их расположение рядом в таблице Менделеева. Установлено также, что сверху вниз по вертикальной поясности (начиная с альпийского пояса) отношение С0ргЛЧ в почвах повышается в пределах 21-27. Эта тенденция еще более усиливается при их дальнейшей миграции и составляет 435 и 129 (соответственно для инфильтрационных вод альпийского и лугостепного поясов) и 773 (для речной воды). Величины НО позволили установить повышение степени предпочтительного перехода в системе почва - лизиметрическая вода - речная вода углерода относительно азота, что в итоге составило около 32 раз для речной воды относительно почвы. Выявлено также, что содержание №1/ в речной воде меньше по сравнению с лизиметрической, что объясняется его более прочной связью с почвенным поглощающим комплексом. Существенных различий в содержании N02" и N03" в лизиметрической и речной воде не наблюдается.
Полученные характеристики потоков углерода и азота на кормовых угодьях дополняют представления о количественных и качественных особенностях их миграции в высокогорных
Экология и природопользование
экосистемах и могут быть использованы в балансовых расчетах, а также для определения параметров допустимых антропогенных нагрузок.
Библиографический список
1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л.: Наука. 1980. С. 44, 87.
2. Бабаян Г.Б. Агрохимическая характеристика горно-луговых почв Армянской ССР / АН АрмССР. Ереван, 1982. С. 22, 31,33.
3. Добролюбский O.K. Биологическое действие микроэлементов в связи с их положением в периодической системе Д.И.Менделеева // Биогеохимия растений: тр. Бурят, ин-та естеств. наук. Улан-Удэ: Бурят, кн. изд-во, 1969. Вып. 2. С. 29-38.
4. Ревазян Р.Г., Сакоян А.Г., Аветисян М.Г. Особенности трансформации биогеохимических циклов на горных лугах альпийского пояса при антропогенном воздействии // Биокосное взаимодействие в природных и антропогенных системах: матер. IV Междунар. симп. СПб., 2011. С. 500-504.
5. Сакоян А.Г., Ревазян Р.Г., Араратян Л.А., Сафразбекян ЭА. Трансформация азотсодержащей органики горно-луговых почв под воздействием интенсивной пастьбы // Биол. журн. Армении. 2009. Т. 61, №4. С. 25-30.
6. Сакоян А.Г. Антропогенная трансформация потоков биогенных элементов в горных экосистемах и их прогнозирование (на арм. яз): дис. ... учен. ст. канд. биол. наук. Ереван, 2012. С. 32, 36.
7. Шилова З.Н. Лизиметрический метод, его значение и условия применения для познания современных процессов почвообразования // Применение лизиметрических методов в почвоведении, агрохимии и ландшафтоведении. Л.: Наука, 1972. С. 1-21.
L.A. Araratyan, M.H. Avetisyan, A.G. Sakoyan THETRANSFORMATIONOFBIOGENICELEMENTSFLOWSINHIGHMOUNTAINECOSISTEMS ACCORDINGTHE VERTICAL BELTS
The patterns of organic carbon and nitrogen contents changing in the degraded soils of alpine and meadow-steppe zones of Aragats mountain massif by the vertical belts are discussed. It is considered also the peculiarities of their behavior in the system of soil - infiltration water - river water.
Key words: degradation; humus; migration; lysimeters; leaching.
Levon A. Araratyan, Cand. of agric. scs, Senior researcher of The Center for Ecological-Noosphere Studies of the National Academy of Sciences; 68 Abovian, Yerevan, Republic of Armenia 0025; levon. araratyan@gmail. com
Marieta H. Avetisyan, Cand. of geograph, scs, Senior researcher of The Center for Ecological-Noosphere Studies of the National Academy of Sciences; 68 Abovian, Yerevan, Republic of Armenia 0025; marieta_0208@mail. ru
Astghik G. Sakoyan, Cand. of biolog. scs, chemist-analyst of The Center for Ecological-Noosphere Studies of the National Academy of Sciences; 68 Abovian, Yerevan, Republic of Armenia 0025; marieta_0208@mail. ru
