ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 550.47
ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННОЙ ЭМИССИИ АЗОТА НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЛЕСОВ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ
РОССИИ1
© 2015 г. И.Ю. Аверкиева, К.В. Иващенко
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия;
ауетк1еуа@татЫег. ги
Поступила в редакцию 14.11.2014 г.
Показано, что даже относительно небольшое дополнительное поступление азота в биологический круговорот может приводить к различного рода экологическим нарушениям. На примере оценки состояния лесов Европейской части России, представлены прогнозы изменений, которые будут происходить в лесных экосистемах при сохранении современного уровня антропогенной эмиссии азота. Выявлено, что наиболее устойчивыми к влиянию выпадений азота являются широколиственные и хвойно-широколиственные леса с преобладанием в напочвенном покрове лугово-опу-шечных видов, а наиболее уязвимыми - сосняки с доминированием олиготрофных и мезотрофных видов надземной растительности.
Ключевые слова: эмиссия азота, леса европейской части России, биологический круговорот, надпочвенный покров, загрязнение среды, нитраты.
Введение. Хозяйственная деятельность человека, преобразуя абиотические факторы среды обитания живых организмов, изменяет условия функционирования природных экосистем и определяет новые тренды в их развитии. Одним из серьезных антропогенных преобразований биосферы является загрязнение атмосферы, к числу приоритетных поллютантов которой относят соединения азота: оксид азота [N0^ нитраты [N0^], аммиак [КИ3], аммоний [КИ4] [29]. "Техногенный" азот поступает в экосистемы в виде био- и педохимически активных соединений, вызывая интенсификацию ее внутренних и внешних миграционных потоков. Это в свою очередь приводит к различным экологическим нарушениям [23, 28]. Характер проявления таких нарушений зависит от множества факторов: уровня выпадений азота, характера растительности и почв, климатических условий, а также от степени загрязнения среды азотом. В зависимости от уровня "насыщения" азотом ее можно оценить по различным экологическим эффектам, которые проявляются как в виде изменений геохимических параметров атмосферного воздуха и почвы, так и на уровне
1 Работа выполнена при финасовой поддержке РФФИ (проект № 14-04-00098).
флористического состава растительных сообществ [1] .
Известно, что в Европейской части России за последние 50 лет выпадение азота (особенно в виде нитратов) увеличилось от 0 до 10 кг N га-1 в год-1, а для отдельных регионов страны (например, Московской области) уровень выпадений может достигать 15 кг N га-1 в год-1 и выше, что сопоставимо с уровнем его биологической фиксацией [15]. Большинство отечественных исследований азота направлено на изучение агроэкосистем [6, 11] и влияние азотных удобрений на ее компоненты [2, 16], в то время как вопрос поведения азота в естественных экосистемах, в том числе лесных мало освещен. В основном азот в природных экосистемах рассматривается как питательный элемент [19], а его влияние как полюттанта либо не учитывается, либо изучается в сопряжении с влиянием загрязнения тяжелыми металлами [5, 9]. Для лесов России практически не изучены процессы, которые происходят при дополнительном поступлении азота за счет антропогенной эмиссии, а так же какие экологические эффекты это загрязнение несет для различных геохимических параметров. В этой связи целью данного исследования является прогноз изменений, происходящих в лесах Европейской части России при увеличения антропогенной эмиссии азота.
Таблица. Индикаторные критерии, характеризующие стадии "азотного загрязнения" [1, 14, 21, 24, 29]
Индикаторный критерий Компонент экосистемы Балл Стадия (сумма баллов)
N-N0., > N-^4 атмосферные выпадения 1 Иммобилизация
почва (0-2)
> 0.4 мг/л присутствие видов- атмосферные выпадения 2 Насыщение
нитрофилов растительность(напочвен- (3-8)
доля нитрофильной ЭЦГ - 10-20% ный покров)
> 2 мг/л доля нитрофильной атмосферные выпадения 3 Избыток
ЭЦГ - 30-50%, отсутствуют олиго- растительность(напочвен- (> 8)
трофные виды ный покров)
Материалы и методы. Регион исследования. Изучены леса Московской и Костромской областей. Климат регионов умеренно-континентальный. Средняя годовая температура - +5.5 и +3.0 °С, а количество осадков - 670 и 570 мм в год для Московской и Костромской областей, соответственно. Регионы по лесорастительным условиям представлены южной тайгой и подзоной хвойно-широколиственных лесов. В Московской области леса занимают около 40% территории, а в Костромской - 74%. Изученные модельные участки были представлены мелколиственными, хвойными и смешанными лесами (возраст 40-60 лет). В Московской области в древесном ярусе доминировали Picea abies, Betulapubescens, Abies sibirica, а в Костромской области - Picea obovata, Abies sibirica, Betula pubescens. Почва исследованных участков дерново-подзолистая от легкого до тяжелого гранулометрического состава, со значением pH от 4.3 до 5.8. По литературным данным уровни поступления азота для Московской и Костромской областей составляют 6-10 и 2-4 кг N га-1 год-1, соответственно [12].
Методика оценки азотного статуса лесных экосистем. Выделяют три стадии "азотного загрязнения" [20], условно названные стадиями иммобилизации, насыщения и избыточной аккумуляции, которые зависят от интенсивности выпадений, продолжительности их воздействия и специфики природных факторов, определяющих ответные реакции экосистем на данное воздействие. Поскольку почва и растительность составляют единую биогеоценотическую систему, то для каждой из стадий характерны определенные показатели почвенно-экологических и растительных характеристик, используемых в качестве индикаторов (таблица).
Методы исследований. Для оценки атмосферного уровня поступления минеральных форм азота использовали метод снегосъемки. Он позволяет оценить количество растворимых и нераствори-
мых компонентов, поступающих из атмосферы на земную поверхность, включая как сухое, так и влажное осаждение [4]. К тому же, в снеговой воде концентрация химических элементов существенно выше, чем в дождевых осадках [3]. Отбор образцов снега проводили в конце февраля - начале марта (в период максимального снегонакопления и до периода интенсивного снеготаяния). Всего отобрано 150 проб на территориях с различным удалением от источников техногенной эмиссии азота (учитывали удаленность от автотрасс с интенсивным движением и возможных стационарных источников выброса поллютанта). На каждом исследуемом участке с площади 10 м2 методом "конверта" брали пластиковым пробоотборником (диаметр 50 мм) смешанную пробу из 5 снежных кернов, которая состояла из всей толщи снежного покрова. Отдельно отбирались пробы на подкро-новых и открытых участках леса, что позволило учесть трансформацию выпадений пологом леса.
Почвенные образцы отбирали на тех же ключевых участках, где проводили снегосъемку. Отбор осуществляли с глубины 0-10 см, с учетом того, что в хвойно-широколиственных лесах для этого слоя характерна наибольшая насыщенность корней травяно-кустарничковых видов и высокая активность микробиоты [18]. В результате получали смешанный образец почвы из 5 индивидуальных проб (всего отобрано около 100 образцов). Образцы доставляли в лабораторию, высушивали при комнатной температуре и просеивали через сито (диаметр ячеек 1 мм) для последующих химико-аналитических исследований.
Определение концентраций обменного аммония (К-КИ4) и нитратов (N-N03) в снежных и почвенных образцах осуществляли фотоколориметрическим методом с использованием фенолятгипохлоритной реакции в модификации В.Н. Кудеярова, подробно описанного в источниках [7, 8].
А
¿у
„ , Талдом , Дубна ■
Запшдня
Вербилки Богородское
Скоропусковский
: ДмитрОВ Сергиев Посад
^^^ Ашукино
Ногинск-9
9
Шахов Волоколамск ^^ ^^^ ^^^
!? Балашиха
> Тучково' Можайск Селятв
Черноголовка Ногинск Электрошрск Реутов ^ехово-Зуево
Верея
50
Селятино . ф ^
Наро-Фоминск \ * ' - Егорьевск
Лкипиг.ктга ^
Рошаль
— а С)
^ у Шатура
Куровское :
> 1 кг И-1год-1
0.4-1кг К-1год—1 < 0.4 кг ]Ч-1год-1
| -нитраты I I -аммоний
Львовский?
э
Чехов А Михнев® .
Оболенс] Протвино
/ ' С { Коломна*у ■
щъ о ™
п Капдгоа 1
\ Кашира Ожерелье
Белоомут
г
Серебряные Пруды
50
100
150
200 км
Солигалич
- .Чу'хлома" ' ^ СО Колоприв
Шушкодом с к / } .£ ■
Буй "1 Парфеньево
Антропово ~ .4
Галич !
Кострома ....
^ Красное-на-Волге Волгопеченск
Волгореченск
'"-"г-
\-._L -ЦЖ.
Грппгиртз^РПР
Поназырево
Рис. 1. Выпадение минерального азота в Московской (А) и Костромской (Б) областях (по данным исследований 2000-х гг.).
Б
На каждом исследуемом участке проводили геоботаническое описание (площадка 10 м2, 4 по-вторности) [26]. Определяли обилие видов растений по шкале Браун-Бланке, а соотношение функциональных групп (нитрофильной, мезофильной, олиготрофной и т.п.) проводили с использованием метода оценки эколого-ценотических групп видов (ЭЦГ) [17].
Результаты и их обсуждение. Атмосферные выпадения. Воздушное загрязнение оксидами азота распространяется на большие расстояния от источников выбросов и определяет повышение геохимического фона на обширных территориях. Согласно полученным данным, суммарное выпадение минеральных соединений азота (нитратных и аммонийных) из атмосферы для исследованных
г 'Талдом ^г
А
^__^^Вербйлкиу' \ /Б. 1 ¿^^¿Клин ДмитЪбв^£к
.^Богородское
^ЗУвыЬоковскКл^; * ^Дмитров Ск^пусковский Лотошино Солнечношрек Сергиев Посад
Г Г .- Нопшск-9
Шаховская >
V«/ '
С ^ ^ <' л • я
Волоколамск Поварово ,ч , я>
V. " Лк Ч ^^ Электрогорск
( Щ ' Заречье \гщ. ;Др?зпаРошаль
Наречье
»*ОРуза... } Малаховка
> ;Йожайск_^» Кубинка \ ' Авсюнино""
4 # Домодедово (^Егорьевск-V
Верея! ¥^лбов|я;: , - /^(1
I, ^ ^/¡Михнево > • ' .
Новое Ступино ЛУХНВИ
; Ожерелье 4 Бел00мУт
^ к ижсрсльс
•• 3арайсК
Серебряные Пруды
I ; I
> 10 мг 1Чкг-1
5-10 мг Мкг-1
^р < 5 мг Мкг-1
| - нитраты ] - аммоний
—л ' 1
Шушкодом
со
Чухлома * ^Эколо,рив \
(у'Гёоршевское
Нея I
Поназырево
Островское Кадый
Кострома ¿—ль
Красное-на-Волге ,:■ Нерехта Волгореченск
Рис.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.