Влияние техногенной эмиссии оксидов азота на почвенно-экологические и фитоценотические условия лесных экосистем московской области

На правах рукописи

Аверкиева Ирина Юрьевна ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА НА ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ Специальность 03.02.08 – экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владимир 2013

Работа выполнена в лаборатории моделирования экосистем Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук Научный руководитель кандидат географических наук, Припутина доцент Ирина Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор, Снакин ФГБУН Институт фундаментальных Валерий Викторович проблем биологии РАН, заведующий лабораторией доктор сельскохозяйственных наук, Карпова ФГБОУВПО Московский государственный Дина Вячеславовна университет имени М.В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук

Защита состоится 24 мая в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.025.07 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу:

600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корп. 1, ауд. 335.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Отзывы на автореферат просьба направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корп. 1, Факультет химии и экологии, Кафедра экологии.

Автореферат разослан 18 апреля 2013.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент О.Н. Сахно

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Хозяйственная деятельность человека, преобразуя абиотические факторы среды обитания живых организмов, изменяет условия функционирования природных экосистем и определяет новые тренды в их развитии. Серьезные антропогенные преобразования биосферы связаны с загрязнением воздушной среды, к числу приоритетных поллютантов которой относятся оксиды азота (NOx). Техногенные NOx относительно быстро выводятся из воздушной миграции, поступая на земную поверхность с осадками и за счет сухого осаждения преимущественно в форме нитратных соединений, которые активно включаются в биотический круговорот и существенно трансформируют многие его процессы.

В зарубежных публикациях последних лет уделяется большое внимание экологическим проблемам, связанным с последствиями повышенного поступления техногенных соединений азота в лесные биогеоценозы (Bobbink et al., 2002;

Sutton et al., 2011). В нашей стране подобные исследования не получили широкого распространения, хотя во многих регионах России отмечается высокий уровень загрязнения воздушной среды NOx (Государственный доклад.., 2009). В их числе – Московская область, лесные экосистемы которой играют важнейшую роль в обеспечении экологического благополучия столичного региона. Сохранение биоразнообразия лесов Подмосковья, их средообразующих, рекреационных, водоохранных и других функций, имеет особую актуальность в связи с тенденцией роста техногенных нагрузок азота в Центральном регионе. Это определило выбор темы диссертационной работы и объектов исследования.

Цель работы – анализ влияния техногенной эмиссии оксидов азота на фитоценотические и почвенно-экологические условия лесных экосистем Московской области, определяющие динамику их развития и устойчивое функционирование в долговременной перспективе.

В соответствии с поставленной целью, объектами исследования в данной работе были лесные биогеоценозы Подмосковья, рассматриваемые нами как совокупность растительных сообществ и среды их обитания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. На основе анализа литературы определить набор показателей / индикаторных критериев, отражающих условия обеспеченности лесных экосистем азотом, как важнейшим элементом питания, и характеризующих степень возможной трансформации азотного цикла в лесных биогеоценозах в результате воздействий, связанных с техногенной эмиссией NOx.

2. Оценить интенсивность и преобладающие формы поступления соединений азота в леса Подмосковья с атмосферными выпадениями.

3. На примере ключевых участков определить особенности флористического состава и эколого-ценотические условия, характерные для лесных сообществ Московской области, а также почвенно-геохимические характеристики, отражающие их экологическое состояние и условия азотного питания в зависимости от сочетания природно-техногенных факторов и сезонной динамики.

4. Оценить зависимость почвенно-экологических и фитоценотических показателей от величин поступления азота в леса Подмосковья с атмосферными выпадениями и дать характеристику степени трансформации азотного цикла в лесных экосистемах Московской области.

Научная новизна. Для лесных биогеоценозов Московской области впервые проведены сопряженные исследования почвенно-экологических и фитоценотических показателей, характеризующих обеспеченность лесов Подмосковья основным элементом питания – азотом. Оценено влияние природных и техногенных факторов на эти показатели. Впервые определены параметры пула минеральных соединений азота (N-NH4(обм) и N-NO3) в основном корнеобитаемом слое лесных почв центра Европейской России в течение вегетационного сезона при разном сочетании погодно климатических условий. Выполнены оценки критических нагрузок эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота, соответствующих экологически безопасным уровням поступления азота в различные типы лесных экосистем Подмосковья, при которых сохраняются оптимальные экологические условия их функционирования и видовое разнообразие.

Практическая значимость. Результаты выполненного исследования могут быть использованы природоохранными и лесными службами Московской области для анализа и прогноза экологического состояния лесов Подмосковья. Предлагаемые критерии оценки азотного статуса лесных экосистем могут быть использованы в рамках экологической экспертизы проектов развития столичного региона.

Декларация личного участия автора. Все полевые исследования и большая часть химико-аналитических работ выполнены лично или при непосредственном участии автора. Выполнены описания лесной растительности на всех ключевых участках и проведена статистическая обработка геоботанических данных. В течение 2-х вегетационных сезонов 2010-2011 гг. с частотой 1 раз в 2 недели проведены мониторинговые исследования динамики минеральных соединений азота в почвах Приокско Террасного государственного природного биосферного заповедника (ПТБЗ).

Апробация результатов работы. Материалы диссертации были представлены на 14 конференциях: Конференция молодых ученых «Ломоносов 2008» (Москва, 2008), Пущинская международная школа-конференция молодых ученых «Биология-наука XXI века» (Пущино, 2008, 2010);

3-я Всероссийская конференция «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Пущино, 2008);

Всероссийская конференция «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва, 2008);

Конференция с международным участием «Почвы и почвенная безопасность России», (С.-Петербург, 2009);

Конференция «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2009, 2011);

Всероссийская молодежная научная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии», (Сыктывкар, 2010);

Международная конференция молодых ученых «Актуальные проблемы ботаники и экологии», (Украина, Ялта, 2010);

Международная конференция «European Geosciences Union General Assembly 2011», (Vienna, Austria, 2011);

Всероссийская научная конференция с международным участием по лесному почвоведению (Апатиты, 2011), Международная конференция «Multidisciplinary academic research 2012» (Prague, Czech Republic, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 12 работ в сборниках и материалах конференций и 5 в сборниках тезисов.

На разных этапах исследований работа поддерживалась грантами РФФИ (№№ 09-04-01209, 12-04-31795) и грантом Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере «УМНИК 2010».

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, списка литературы, включающего 256 источников (из них 98 зарубежных), и приложений. Работа изложена на 130 страницах, содержит 13 таблиц, 32 рисунка и 6 приложений.

Благодарности. Автор выражает благодарности своему научному руководителю к.г.н., доценту И.В. Припутиной;

заведующему лабораторией моделированиях экосистем ИФХиБПП РАН, д.б.н., профессору А.С. Комарову и всем сотрудникам лаборатории за оказанное внимание и помощь в работе;

заведующему лабораторией, д.б.н., профессору Д.Л. Пинскому и сотрудникам лаборатории физико-химии почв ИФХиБПП РАН, а также ведущему инженеру лаборатории функциональной экологии ИФПБ РАН В.П. Смирновой за помощь в проведении химико-аналитических исследований;

к.б.н., с.н.с. ИБК РАН А.В. Танканаг за помощь в проведении расчетов величин критических нагрузок;

руководству ПТБЗ – за предоставленную возможность проведения мониторинговых исследований на территории заповедника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ТЕХНОГЕННАЯ ЭМИССИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И ПРОБЛЕМЫ НАРУШЕНИЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКОГО ЦИКЛА АЗОТА В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ Роль азота в природном биогеохимическом круговороте веществ как одного из основных биогенных элементов, ответственных за продукционный процесс, освещена во многих отечественных и зарубежных публикациях (Пейве, 1961;

Кудеяров, 1976, 1989;

Башкин, 1987;

Никитишен, 1991, 1994;

Орлов, 1992;

Умаров и др., 2007;

Семенов и др., 2009;

Schelesinger, 1992;

Bobbink et al., 1996, 2002;

Sutton et al., 2004, 2011). В естественных условиях его поступление в наземные экосистемы происходит в основном в результате биологической фиксации атмосферного азота, параметры которой, по разным оценкам, изменяются от 2-5 до 50 кг N/га в год и выше (Умаров и др., 2007;

Rosswall, 1982;

DeLuca, 2009). Поступление с атмосферными выпадениями в большинстве регионов мира еще в 50-60-х годах прошлого столетия не превышало 3-4 кг N/га в год, преимущественно в форме аммония (Chapuis Lardy, 2007). В лесных почвах бореальной и умеренной зон наиболее доступной формой азотного питания растений являются аммонийные соединения, и характерна высокая замкнутость биогенного цикла азота (Родин, Базилевич, 1965;

Попова, 2003;

Федорец, Бахмет, 2003;

Разгулин, 2008, 2010).

В настоящее время, помимо сельскохозяйственного производства, масштабная антропогенная трансформация природного круговорота азота связана с техногенной эмиссией его оксидов (NO и NO2) (Minami, 1997;

Karlsson et al., 2009). В результате атмосферного переноса и рассеивания этих поллютантов во многих европейских странах региональный уровень поступления азота в лесные экосистемы с атмосферными выпадениями достигает 15-25 кг N/га в год и выше, т.е. сопоставим с его биологической фиксацией (Nilsson, Grennfelt, 1988;

Sutton et al., 2011). «Техногенный» азот, поступающий в экосистемы в виде био- и педохимически активных соединений, ведет к интенсификации его миграционных потоков внутри экосистем и из экосистем (van der Weerden et all., 1999;

De Vries et al., 2011).

Повышенные выпадения азота в лесных экосистемах вызывают не только рост продуктивности фитоценозов, но и «провоцируют» ускоренную минерализацию органического вещества, а также увеличение кислотности почв, дисбаланс элементов питания, денитрификацию, вымывание нитратов в почвенно-грунтовые воды и нарушения видовой структуры биоценозов (Bobbink et al., 1996, 2002;

Stevens et al., 2004). Комплекс экологических изменений, происходящих в природных экосистемах в результате повышенного поступления азота с атмосферными выпадениями, условно подразделяют на эффекты подкисления (аналогично воздействию оксидов серы) и эффекты эвтрофирования (Aber et al., 1989). В зависимости от интенсивности выпадений, продолжительности их воздействия и специфики природных факторов, определяющих ответные реакции экосистем на данное воздействие, выделяют 3 стадии их «азотного загрязнения», условно названные как стадии иммобилизации, насыщения и избыточной аккумуляции (Bobbink et al., 2002). Поскольку почва и растительность являются неразрывной биогеоценотической системой, то для каждой из этих стадий должны быть характерны определенные показатели почвенно экологических и фитоценотических характеристик, которые могут использоваться для индикации данного воздействия.

Техногенная эмиссия NOх в Московской области определяется выбросами от автотранспорта и стационарных источников, вклад которых в атмосферную поставку азота для разных административных районов в пересчете на их площадь может составлять от 1-2 до 10 кг/га в год (Электронный ресурс: http://www.ecomo.ru).

Представленный в работе анализ литературы позволил (1) обосновать актуальность выполнения исследований по оценке влияния техногенной эмиссии NOx на экологическое состояние лесов Подмосковья, (2) определить набор методов исследования и (3) индикаторных критериев для характеристики «азотного статуса» лесных экосистем. В их числе, почвенные и эколого-фитоценотические показатели (Nобщ., N-(NO3+NH4), C/N) (балловые шкалы обеспеченности почв азотом и кислотности почв, эколого ценотические группы), а также экосистемный показатель - критические нагрузки, широко используемые в зарубежных экологических исследованиях.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В главе представлены данные о ландшафтно-климатических условиях и видовой структуре лесов Московской области. Детальная характеристика флористического состава, структуры и динамики различных групп типов лесных фитоценозов Подмосковья отражена в работах Института лесоведения РАН (Сукачев и др., 1957, 1968, Рысин и др., 1969, 1979, 1982, 1985, 1993, 2003). Эти данные были использованы нами для выбора ключевых участков (далее КУ).

Характеристика ключевых участков. Для оценки влияния эмиссии NOx на почвенно-экологические условия и флористический состав лесов Подмосковья были выбраны 22 КУ, расположенных на разном удалении от потенциальных источников техногенной эмиссии оксидов азота (табл.1).

Таблица 1. Краткая характеристика ключевых участков Положение участка:

Тип (подтип) почв* Номер административный район, Характеристика фитоценоза (Классификация, участка ближайший населенный 1977) пункт Сосновые леса Сосново-березово - Воскресенский р-он, 5 км Пд1 сп разнотравный от г. Воскресенск Сосняк сложный Серпуховский р-он, Пд1 сп разнотравный ПТБЗ**, 4 квартал Серпуховский р-он, ПТБЗ, Пд1 сп Сосняк разнотравный 4 квартал Сосново-березово- Серпуховский р-он, 2 км Л1 сс разнотравный от г. Пущино Мытищинский р-он, 0. Пд2 лс Сосняк разнотравный км от МКАД, г. Мытищи Раменский р-он, с/з Пд1 п Сосняк зеленомошник им. Цюрюпы Еловые леса Ступинский р-он, Пд1 сс Елово-березово-разнотравный с. Семеновское Серпуховский р-он, ПТБЗ, Пд1 сп Ельник разнотравный 4 квартал.

Истринский р-он, Пд2 сс Ельник осоково-разнотравный д. Дорохово Ельник разнотравно- Наро-фоминский р-он, Пд2 сс папоратниковый сх. Космодемьянский Серпуховский р-он, Пд2 сс Ельник осоково-разнотравный д. Скребухово Ельник разнотравно- Раменский р-он, Пд2 сп зеленомошный д. Пласкинино Раменский р-он, Пд2 сп Елово-березово-разнотравный д. Аринино Ельник сложный Истринский р-он, 5 км от Пд2 сс разнотравный г.Истра Елово-березово-осиново- Одинцовский р-он, Пд2 лс разнотравный М.Вяземы Елово-березово-осиново- Наро-фоминский р-он, Л1 лс разнотравно-снытевый п Жодючи Осиновые леса Ступинский р-он, Пд1 сс Осинник разнотравный п. Малино Осиново-осоково- Серпуховский р-он, ПТБЗ, Пд1 сп разнотравный 4 квартал.

Осинник разнотравно- Серпуховский р-он, Пд1 сп снытиевый с. Райсеменовское Березовые леса Ступинский р-он, Березняк разнотравный Л1 сс д. Попово Березняк разнотравно- Подольский р-он, Пд1 лс хвощевый д. Романцево Дмитровский р-он, Пд2 сс Березняк разнотравный д. Елизаветино Условные обозначения: * Пд1 – дерново-слабоподзолистые, Пд2 – дерново среднеподзолистые, Л1 – светло-серые лесные;

п – песчаные, сп – супесчаные, лс – легкосуглинистые, сс – среднесуглинистые.

Исследованные КУ характеризовали различные типы леса, объединяющие растительные сообщества, однородные по составу преобладающих видов и комплексу прямодействующих факторов среды (Сукачев, 1929). Почвенные условия исследованных типов леса отличаются достаточной вариабельностью характеристик (табл. 2).

Таблица 2.Основные физико-химические характеристики гумусовых горизонтов почв ключевых участков Сумма Содержание Р2О обменных рНводн. Сорг. (%) физической (мг/ Nобщ. (%) катионов глины (%) г) (мг-экв./100г) Минимум 4.3-6.6 1.2-6.7 0.05-0.4 0.7-19 12-41 0.4- максимум Среднее 5.3 2.7 0.15 6.5 25 Коэффициент 9 44 57 69 35 вариации (%) ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Полевые исследования проводились на ключевых участках в 2009 2011 гг. и включали в себя отбор проб снега и почв, выполнение геоботанических описаний. Образцы снега отбирались под пологом леса и на открытых участках (в «окнах») в конце марта 2009-2011 гг. Отбор проводился по стандартной методике (Глазовский и др., 1983;

Василенко и др., 1985). Почвенно-геохимическое опробование гумусовых горизонтов проводились на тех же КУ в середине вегетационного сезона (июль - начало августа 2009-2011 гг.). Для анализа динамики минеральных соединений азота в лесных почвах в период вегетации дополнительно проводились мониторинговые исследования на 4-х участках в Приокско-Террасном заповеднике. Для каждого КУ составлялся полный флористический список растений. В ходе полевых исследований отобрано 163 пробы почв и 56 проб снега, выполнено 22 геоботанических описания.

Химико-аналитические исследования включали определение концентраций обменного аммония (N-NH4) и нитратов (N-NO3) во всех почвенных и снежных пробах фотокалориметрическим методом с использованием фенолятгипохлоритной реакции в модификации В.Н. Кудеярова (Кудеяров, 1965, 1969, 1972). Кроме того, в почвенных образцах по стандартным методикам определялось общее содержание азота (Nобш.), содержание органического вещества (Сорг.), рН (водный и солевой), гранулометрический состав и ряд других показателей (Воробьева, 2006).

Обработка данных. Оценку экологического режима местообитаний проводили, используя флористические списки видов и балловые шкалы Д.Н.

Цыганова (Цыганов, 1983) и Г. Элленберга (Ellenberg, 1991), по которым оценивали обеспеченность почв азотом и кислотность почв. Оценка по экологическим шкалам выполнена с использованием программы EcoScaleWin, разработанной в Институте математических проблем биологии РАН (Грохлина и др., 2006). Дополнительно оценивалось соотношение функциональных или эколого-ценотических групп видов (ЭЦГ) в составе напочвенного покрова КУ (Смирнов и др., 2006).

Проведена статистическая обработка массива полученных данных с помощью стандартных программ Excel. Анализ главных компонент выполнен с использованием пакета PCord 4.27 (McCune, Mefford, 1999).

Расчет величин критических нагрузок (КН), характеризующих максимально допустимый порог поступления поллютантов в экосистемы с атмосферными выпадениями, при котором сохраняются условия их нормального функционирования и видовая структура, выполняли по общепринятой методике (Nilsson, Grennfelt. 1989;

UBA, 2004). Поскольку азот является элементом питания, а его минеральные соединения характеризуются кислотной направленностью действия, принято рассчитывать отдельно КН для эффектов эвтрофирования биоценозов (КН(Nnut)) и КН в отношении эффектов подкисления почв (KH(Ac)). При расчете КН используют статические модели биогеохимического масс баланса, в которые включаются параметры, определяющие интенсивность долговременной иммобилизации азота в органическом веществе почв, закрепление в продукции фитомассы, вымывание нитратов и др. Расчеты КН выполнялись для основных типов лесов Подмосковья с использованием процедур Монте-Карло (Припутина и др., 2012), что позволило учесть возможные сочетания климатических, геоморфологических и почвенно растительных условий Подмосковья.

ГЛАВА 4. СОЕДИНЕНИЯ АЗОТА И ПИТАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ Почвенно-экологические условия и питательный режим лесов Подмосковья, характеризующий их обеспеченность азотом и другими элементами питания растений, определяются совокупным влиянием многих факторов, включая антропогенные.

4.1. Поступление минеральных соединений азота с атмосферными выпадениями. В пробах снега, отобранных нами на КУ, уровень концентраций N-NO3 изменялся от 0.1 до 2.3 мг N/л, составляя для большей части выборки 0.5-1.0 мг N/л. Концентрации N-NH4 были сопоставимы, но чуть ниже;

в среднем 0.2-0.5 мг N/л. На открытых участках и в лиственных типах леса в снеге преобладают нитратные формы азота (рис. 1), что может рассматриваться как влияние техногенных источников эмиссии NOx.

Рис. 1. Содержание минеральных форм азота в снеговых водах Суммарное содержание минерального азота в снеге для большего числа КУ соответствует 0.5-1.0 мг N/л. Повышенные уровни концентраций ( 1 мг N/л) характерны для ключевых участков (№ 26, 30, 31, 33, 38, 40, 42), расположенных в зоне воздушного переноса поллютантов от столичной агломерации и вблизи промышленных центров области (рис. 2).

Рис. 2. Распределение минеральных соединений азота в снеговых водах Депонированные в снеге соединения азота могут рассматриваться как показатель обеспеченности растительности его доступными формами в начале вегетации, когда происходит внутрипочвенная фильтрация талых вод и формируется необходимый для древесной растительности запас почвенной влаги на глубине. Согласно литературным данным (Bobbink et al., 2002), при концентрации азота в почвенном растворе 0.4 мг N/л возможно сокращение числа олиготрофных видов в напочвенном покрове лесных фитоценозов, а концентрации 1 мг N/л могут быть причиной вытеснения кустарничковых видов более эвтрофными травами и осоками. Таким образом, во многих районах Подмосковья в лесах в начале вегетации концентрации азота в почвенном растворе могут превышать критические уровни для олиготрофных и ряда мезотрофных видов.

Рассчитанная на основе полученных данных атмосферная поставка азота в лесные экосистемы Подмосковья за зимний период составляет по нашим оценкам 0.5-2 кг N/га, что в пересчете на год соответствует 4-11 кг N/га. Суммарное поступление азота с атмосферными выпадениями определяется в большей степени вкладом нитратных форм, чем аммонийных.

4.2. Почвенно-экологические условия и азотный режим лесных почв Подмосковья. Пространственное распределение азота в исследованных лесных почвах сильно варьирует. Его общее содержание в гумусовых горизонтах изменяется от 0.05 до 0.4%, составляя в среднем 0.1 0.2%, что типично для большинства лесных почв умеренно-бореальной зоны.

Концентрации минеральных форм азота в период опробования соответствовали 5-23 мг N/кг, а их доля в суммарном пуле азота изменялась от 0.3-0.5 до 2-2.3%. Для большинства участков было характерно преобладание обменного аммония над нитратами (рис. 3), что согласуется с литературными данными о преобладании процессов аммонификации в лесных почвах. В почвах нескольких участков (КУ 11, 25, 26, 14, 31, 38) в минеральном пуле азота преобладали нитраты, что может объясняться как почвенно-климатическими условиями середины вегетационного сезона, так и влиянием повышенной поставки азота (рис. 1).

Рис. 3. Распределение концентраций минеральных форм азота в почвах КУ (условные обозначения см. рис. 1) К числу показателей, отражающих интенсивность минерализации органического вещества и доступность азота, относят соотношение C/N в почвах (Орлов и др., 1996). Согласно (De Vries et al., 2011), при 20C/N для почв характерна умеренно-продолжительная иммобилизация азота, ограничивающая почвенный пул минерального азота, а при 10C/N20 – лишь краткосрочная иммобилизация, при которой доступность азота повышается. Для исследованных нами почв характерен широкий диапазон величин C/N и прослеживается тенденция их обратной корреляции с концентрациями минерального азота при значениях C/N, соответствующих краткосрочной иммобилизации (рис. 4А).

А Б Рис. 4. А) Соотношение С/N и концентраций минерального азота в почвах Б) Соотношение рН и концентраций минерального азота в почвах (условные обозначения типов леса см. рис.1) Условия произрастания лесной растительности, как известно, во многом определяются кислотностью почв, которая в исследованных почвах изменялась от 4.3 до 6.6, т.е. преобладали слабокислые условия среды.

Прослеживается обратная зависимость между значениями рН почв и содержанием в них минеральных соединений азота (рис. 4Б).

Сезонная динамика минеральных соединений азота в почвах ПТБЗ.

Данные почвенно-геохимического мониторинга на участках с разным древостоем и напочвенным растительным покровом свидетельствуют о наличии в гумусовых горизонтах лесных почв легкодоступных минеральных соединений азота в течение всей вегетации;

суммарные концентрации соответствуют 10-20 мг N/кг (рис. 5). Соотношение нитратных и аммонийных форм в суммарном пуле минерального азота отличалось высокой вариабельностью по срокам опробования и между различными фитоценозами. Отмечено преобладание N-NO3 в почвах всех участков ПТБЗ в середине вегетационного сезона. Полученные данные свидетельствуют о сокращении почвенного пула минерального азота к концу вегетации.

Учитывая легкий гранулометрический состав почв ПТБЗ и увеличение количества осадков в осенний период, данное снижение может объясняться вымыванием нитратов в нижележащие слои почв и грунтовые воды.

Рис. 5. Сезонная динамика содержания минеральных соединений азота в гумусовых горизонтах почв ПТБЗ под разными типами древостоев 4.3. Характеристика экологических условий лесных экосистем Подмосковья на основе данных фитоиндикации. Оценки питательного режима лесных почв в геоботанике и лесоводстве выполняются на основе анализа видового состава напочвенного растительного покрова. Для этих целей используют данные анализа ЭЦГ (Ханина и др., 2003) или уже упоминавшиеся шкалы богатства почв азотом и кислотности почв Д.Н. Цыганова, Г. Элленберга и др. Согласно составленным спискам видов, на 18-ти из 22-х исследованных нами КУ присутствовали нитрофильные виды, требовательные к азотному питанию (рис. 6).

Оценки местообитаний по шкалам богатства почв азотом показывают, что большинство рассмотренных КУ могут быть отнесены к местообитаниям, достаточно обеспеченным азотом (рис. 7);

результаты оценок, полученные с использованием шкал Д.Н. Цыганова и Г. Элленберга, имеют лишь небольшие расхождения. Число КУ, которые характеризуются как бедные и очень бедные азотом, ограничено (2-4 в зависимости от использованной шкалы).

Рис. 6. Соотношение общего числа видов и видов нитрофильной ЭЦГ Минимальный балл оценки соответствует сосняку зеленомошнику на дерново-слабоподзолистых песчаных почвах (КУ-42), расположенному в Мещерской части Подмосковья. Максимальный балл богатства почв азотом соответствует сосняку разнотравному (КУ-31), расположенному в районе г. Мытищи в зоне атмосферного переноса NOx от столичной агломерации (рис.7). Напочвенный покров этого участка представлен ограниченным числом видов (4 вида). Этому же участку по данным снегосъемки соответствует высокое поступление азота с атмосферными выпадениями;

концентрация минерального азота в талых снеговых водах – около 2 мг N/л.

Рис. 7. Результаты оценки ключевых участков по богатству почв азотом на основе экологической шкалы Д. Цыганова (числа на графике - номера КУ) ГЛАВА 5. ТЕХНОГЕННАЯ ЭМИССИЯ NO X КАК ФАКТОР ВЛИЯНИЯ НА ПОЧВЕННО-ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДИНАМИКУ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПОДМОСКОВЬЯ 5.1. Анализ зависимости почвенно-фитоценотических показателей от условий атмосферной поставки азота. Многообразие процессов, регулирующих цикл азота, влияет на характер возможных связей между поступлением его минеральных форм с атмосферными выпадениями и почвенно-флористическими показателями, отражающими азотный статус лесных экосистем. Анализ зависимости показателей балловой оценки обеспеченности фитоценозов почвенным азотом по экологическим шкалам от концентраций минеральных форм азота в снеге и в почвах выявил обратную корреляцию балловых оценок с содержанием N-NH4 (r = -0,44 для снега и -0,57 для почв, р 0.05) (рис. 8).

Рис. 8. Соотношение концентраций обменного аммония в почве и баллов обеспеченности почвенным азотом по шкале Д.Н. Цыганова (условные обозначения типов леса см. рис.1) Данные анализа флористического состава КУ по шкале Д.Н. Цыганова показывают, что для хвойных фитоценозов с повышенной атмосферной поставкой азота (концентрации в снеге 1 мг N/л) характерно отсутствие олиготрофных видов бореальной флоры, типичной для местообитаний с очень низким содержанием азота (рис. 9). Это согласуется с литературными данными о характере влияния атмосферной поставки азота на видовую структуру напочвенного покрова лесов (De Vries et al., 2007).

Рис. 9. Соотношение параметров атмосферной поставки азота и видов напочвенного покрова, наименее требовательных к азотному питанию Результаты анализа главных компонент подтверждают наличие корреляционных связей между почвенно-фитоценотическими показателями и условиями атмосферной поставки азота на территории Подмосковья (рис.10).

Рис. 10. Ординация КУ методом главных компонент (NH4, NO3 – содержание аммония и нитратов в атмосферных осадках;

NЕI- балл по шкале богатства почв азотом Г. Элленберга, Nt – число видов нитрофилов) Выделяются 3 группы биогеоценозов. В первую вошли экосистемы хвойных лесов, расположенные в восточной части области, для которых характерно преобладающее влияние аммонийных форм. Вторую, наиболее многочисленную группу, составили леса, для которых атмосферная поставка азота не является определяющим фактором экологических условий. Третья группа, выделенная по результатам анализа как экосистемы, испытывающие влияние атмосферной поставки нитратов на почвенно-фитоценотические показатели, располагается в 20-30 километровой зоне атмосферного переноса поллютантов от столичной агломерации и вблизи промышленных центров области.

5.2. Анализ степени трансформации лесных экосистем в связи с техногенной эмиссией оксидов азота. Анализ азотного статуса исследованных лесных участков выполнялся на основе метода балльных оценок, когда экологическим эффектам, определяющим различные стадии трансформации природного цикла азота, присваиваются различные баллы (рис. 11).

Стадия избытка Стадия насыщения Стадия иммобилизации Рис. 11. Распределение балльных значений для экосистем КУ Согласно результатам анализа, наиболее вероятные изменения при сохранении существующего уровня атмосферной поставки азота или увеличении нагрузок могут произойти в сосновых лесах с преобладанием в напочвенном покрове олиготрофных видов боровой флоры и в мелколиственных лесах с высокой долей лугово-опушечных видов. Их экологическое состояние и азотный статус соответствуют стадии насыщения (балл 7-8). Меньшие изменения в структуре напочвенного растительного покрова прогнозируются для различных типов ельников. Наименее вероятны изменения в структуре напочвенного покрова для мелколиственных и хвойно-широколиственных лесов с преобладанием в напочвенном покрове неморальных видов.

5.3. Экологически допустимые уровни поступления азота в лесные экосистемы Подмосковья: модельные расчеты. Выполненные нами вероятностные расчеты КН эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота (КН(Nnut) и KH(Ac)) позволили оценить диапазоны допустимого поступления азота с атмосферными выпадениями для основных типов лесов Подмосковья. Результаты расчетов КН сравнивались с данными атмосферной поставки азота для лесов схожего флористического состава, полученными на основе снегосъемки (табл. 3). Рассчитанные средние показатели величин KH(Ac) были выше аналогичных показателей КН(Nnut). При отсутствии в воздушной среде высоких концентраций других поллютантов кислотного действия, можно прогнозировать, что нарушения экологического состояния лесов Московской области при повышенной азотной нагрузке будут связаны с процессами эвтрофирования.

Таблица 3. Поступление азота в экосистемы ключевых участков и распределение вероятных значений КН эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота для соответствующих модельных групп лесов КН(Ас) КН(Nnut) Уровень выпадений азота (№ ключевого участка) Среднее Тип леса Min-Max экв./га в год кг/га в год (экв./га в год) 1. Сосняки зеленомошные 382 280-340 (КУ-42) 95-636 227- 2. Сосняки и сосняки сложные 90-120 (КУ-1, 11) 659 503 разнотравные 230-420 (КУ-25, 26) 341-1004 367-676 6.5-8.5* 460-580 (КУ-31)* 3. Ельники и ельники 70-120 (КУ-3,8,13) сложные кустарничково- 1102 456 320-400 (КУ-40) зеленомошные и разнотравно- 577-1720 306-644 7.5-9.5* 520-650 (КУ-38)* зеленомошные 4. Ельники и ельники 70-260 (КУ 675 сложные разнотравные и 227-1131 255-918 14,16,19,49,50,51) осоково-разнотравные 5. Мелколиственные (березовые и осиновые) 80-350 (КУ-20, 30) 836 507 разнотравные и осоково- 420-530 (КУ-33) 529-1150 317-748 6- разнотравные 6. Лиственные (с липой и 1139 150-400 (КУ-5,12) 5. дубом) осоково-разнотравные 647-1747 416- *выделены участки с превышением средних значений КН(Nnut) Согласно полученным данным, для большинства исследованных лесов существующий уровень поступления азота находится в пределах или ниже рассчитанных интервалов КН(Nnut). Для сосняка разнотравного вблизи г.

Мытищи (КУ 31), ельника разнотравно-зеленомошного (КУ 38) в Раменском районе и березняка разнотравного (КУ 33) в 20 км к северу от столицы существующий уровень поступления азота соответствует рассчитанным критически нагрузкам. Сравнение результатов балльной оценки азотного статуса лесов и превышений КН позволило выделить районы Подмосковья, где дальнейший рост эмиссии NOx и, соответственно, повышение атмосферной поставки азота могут стать причиной изменений биоразнообразия лесов и привести к другим нарушениям азотного цикла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ Результаты выполненного исследования показали, что техногенная эмиссия NOx, определяющая повышенные уровни поступления азота с атмосферными выпадениями во многих районах Московской области, оказывает влияние на условия функционирования лесов Подмосковья.

Полученные данные позволяют сформулировать следующие выводы:

1. В составе минеральных форм азота, поступающих в лесные экосистемы Подмосковья с атмосферными выпадениями, как правило, преобладают нитраты, являющиеся продуктом трансформации в воздушной среде техногенных NOx. Суммарные концентрации азота в талых снеговых водах могут составлять более 1 мг N/л, что превышает критические уровни для олиготрофных видов бореальной флоры, типичной для многих типов лесов Подмосковья.

2. Атмосферная поставка азота в леса Московской области, соответствующая, согласно выполненным оценкам, 4-11 кг N/га в год, пространственно дифференцирована. Повышенные уровни выпадений азота характерны для зоны атмосферного переноса поллютантов от столичной агломерации и промышленных центров области.

3. Полученные данные свидетельствуют о наличии в исследованных лесных почвах в течение всей вегетации доступного растениям пула минеральных соединений азота, соответствующего суммарным концентрациям в верхнем гумусовом горизонте 5-23 мг N/кг. В зависимости от сочетания почвенно-биоценотических и погодно-климатических условий возможно кратковременное повышение концентраций до 30-50 мг N/кг и выше, что может вести к потерям азота из экосистем в результате денитрификации или вымывания нитратов.

4. Оценки питательного режима лесных биогеоценозов Подмосковья на основе эколого-ценотических шкал свидетельствуют о достаточной обеспеченности азотом почв сосняков и мелколиственных лесов. Для лесов с доминированием ели характерна большая дифференциация условий азотного питания (от бедных до богатых азотом почв).

Согласно проведенному анализу, долговременное воздействие 5.

повышенных атмосферных нагрузок азота на лесные экосистемы Подмосковья определяет преимущественно развитие процессов эвтрофикации, в том числе, может быть причиной изменений видового состава напочвенного покрова в хвойных лесах с доминированием бореальных кустарничков и трав.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ 1. Аверкиева И.Ю., Припутина И.В. Оценка влияния техногенной эмиссии NОх на питательный режим лесных биогеоценозов Подмосковья Костромского государственного университета им.

//Вестник Н.А. Некрасова. 2011, т. 17, № 3.- С. 51-57.

2. Припутина И.В., Аверкиева И.Ю., Танканаг А.В. Применение метода Монте-Карло в оценках допустимых воздействий атмосферных поллютантов на лесные экосистемы //Математическая биология и биоинформатика. 2012, том 7, выпуск 1. С. 322-333. ресурс:

(Электронный http://www.matbio.org/article.php?journ_id=13&id;=114) 3. Аверкиева И.Ю. Анализ трансформации лесных экосистем Подмосковья в связи с воздействием техногенных соединений азота на основе метода балльных оценок //Вестник Брянского государственного университета. 2012. т. 2. № 4. - С. 96-101.

В других изданиях Припутина И.В., Аверкиева И.Ю. Экологическое обоснование техногенных 1.

нагрузок эвтрофирующих и подкисляющих соединений азота на лесные экосистемы Европейской России // Принципы и способы сохранения биоразнообразия: Материалы 3-й Всерос. научной конф. Йошкар-Ола;

Пущино, 2008. - С. 481-483.

Аверкиева И.Ю. Учет почвенно-геохимических критериев при оценке 2.

устойчивости экосистем к воздействию техногенных соединений азота //Материалы Всерос. научной конф. XII Докучаевские молодежные чтения «Почвы и почвенная безопасность России». СПб: Издательский дом С.-Петербургского университета, 2009. С.

184-185.

Аверкиева И.Ю. Оценка состояния лесных экосистем Подмосковья в связи с 3.

повышенным уровнем техногенной эмиссии оксидов азота //Актуальные проблемы биологии и экологии. Материалы докладов XVII Всерос. молодежной научной конф.

Сыктывкар, 2010. - С.136-138.

Аверкиева И.Ю. Оценка экологических рисков воздействий антропогенной 4.

эмиссии NOх на функционирование лесных экосистем (на примере Московской области) //Актуальные проблемы ботаники и экологии. Материалы межд. конф. молодых ученых.

Симферополь: ВД «АРИАЛ», 2010. - С. 156-157.

5. Averkieva I., Priputina I. Impact of landscape factors and anthropogenic emission on reactive nitrogen accumulation in forests of Central Russia //European Geosciences Union General Assembly 2011, Vienna, Austria, 2011. - P. 457.

Аверкиева И.Ю., Припутина И.В. Устойчивость лесных экосистем Московской 6.

области к воздействию NОх: вероятностные оценки. Материалы 2-й конф.

"Математическое моделирование в экологии", Пущино, 2011. - C. 20-22.

Припутина И.В. Аверкиева И.Ю. Оценка азотного статуса лесных почв 7.

Подмосковья в связи с влиянием природных и техногенных факторов //Экологические функции лесных почв в естественных и нарушенных ландшафтах. Часть 1. Материалы IV Всерос. научной конф. с международным участием. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2011. - С. 118-122.

Аверкиева И.Ю. Оценка влияния техногенной эмиссии оксидов азота на 8.

трофический статус и видовую структуру лесных Экосистем Московской области. Тезисы докладов Межд. Ботанической конференции мол. ученых в Санкт-Петербурге. СПб.: Изд во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. - С.118.