Методы использования данных по скорости освобождения химических эле- ментов из подстилки для диагностики устойчивости экосистем

МЕТОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ ПО СКОРОСТИ ОСВОБОЖДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ПОДСТИЛКИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ

Н.В. Попова

Кафедра Дизайна архитектурной среды, Российская Международная Академия Туризма ул. Октябрьская, 10, 141420, Московская область, Сходня, Россия

Предложена методика оценки устойчивости ареалов по качественным и количественным показателям малого биологического круговорота, в том числе интенсивности высвобождения химических элементов из подстилки. Именно эта величина отражает скорость закрепления химических веществ в подстилке и возможность перемещения химических веществ по почвенному профилю. Показано, что запасы подстилки и скорость высвобождения химических элементов из мертвых растительных остатков коррелируют с данными по соотношению гуминовых и фульвокислот в почвах, так как являются результатом высвобождения химических элементов из органического вещества подстилки.

Представление о том, что повышение устойчивости экосистем путем стабилизации биогеохимических круговоротов является основным эволюционным преобразованием, приобрело в последнее время достаточно широкое распространение, однако учет балансов этих круговоротов распространен совершенно недостаточно.

Для понимания причин устойчивости современных экосистем и пределов допустимых антропогенных воздействий в них важно исследование процесса формирования в ходе эволюции устойчивых круговоротов вещества и энергии в экосистемах, поддержание в них балансных отношений, раскрытие схем, управляющих поддержанием устойчивости. Во всех этих проблемах весьма существенным может быть вклад исследователей, располагающих огромным количеством фактов, описывающих функционирование отдельных элементов экосистем, отвечающих за устойчивость, основным из которых является мертвое органическое вещество подстилки.

Представление о том, что экосистемы обеспечивают свое существование с помощью этих круговоротов, а подстилка является критерием устойчивости

— это и есть основное содержание эволюции, которое в последнее время распространилось очень широко. В то же время наши знания о том, как организованы биосферные круговороты, какова роль мертвого органического вещества подстилки в устойчивости недостаточны.

В первую очередь не хватает точных сведений о балансовых взаимоотношениях в этих круговоротах, без чего остается неполным понимание эволюции биосферы, в том числе роль химического состава опада и подстилки, интенсивности высвобождения химических элементов и формирование почвенных профилей с показателями, определяющими устойчивость экосистемы в целом.

Из принятого нами определения подстилки следует, что подстилка является неотъемлемым компонентом биогеноценозов суши, в том числе почв. Она служит связующим звеном между почвой и фитоценозом. С позиции системного подхода, лесную подстилку по отношению к почве и фитоценозу можно рассматривать, с одной стороны, как целую биокосную динамическую систему природы, состоящую из множества взаимодействующих подсистем, а с

другой, — как подсистему в более крупных системах (почве, биогеоценозе, ландшафте), т.е. подстилка как система является подсистемой не в одной, а сразу в нескольких системах.

Для подстилки как системы характерны целостность, структурная организация, функционирование и история. Подстилка как подсистема почвенной системы находится в тесной связи с другими подсистемами почвы и выполняет определенную функцию системы. С точки зрения системной организации подстилка представляет собой горизонтный структурный уровень.

Познание генетической сущности почвы невозможно без изучения взаимосвязей генетических горизонтов, или почвенных подсистем, в том числе и подстилки. Другими словами, нельзя полностью познать происхождение минеральных горизонтов без знания состава и свойств органогенного горизонта. Функционирование подстилки во многом обусловливает формирование почвенного профиля (а также органопрофиля) с конкретным составом и свойствами. Генетическую сопряженность подстилки и почвы можно выразить тем, что свойства почвы отражают свойства подстилки, а свойства подстилки отражают свойства почвы. Такая же аналогия лежит в основе концепции подстилка-биогеоценоз. .

Итак, подстилку как биокосное образование можно рассматривать с разных позиций — как часть почвенного профиля, или подсистему почвенной системы, как самостоятельное биогеноценотическое тело (как систему) и как компонентное связующее звено в системе биогеоценозов. Каждый конкретный подход в зависимости от целей и задач исследования должен быть направлен на познание механизма интеграции с другими природными образованиями (фитоценозом, минеральными горизонтами почв и т.д.) на основе взаимосвязей и взаимодействия.

В геохимическом отношении подстилка рассматривается как поверхностный радиальный почвенно-геохимический (сорбционный, седиментацион-ный, механический) микробарьер, в пределах которого резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов и как следствие происходит их концентрация [2,4]. В органогенных горизонтах происходит биогенная накопительная концентрация углерода, азота, зольных элементов, а также минеральных частиц, привнесенных ветром, водой и в результате роющей деятельности почвенных животных.

Генетическая сущность связи подстилки и растительности заключается в том, что последняя определяет качественный состав (содержание азота, зольных элементов, фракционный состав опада и т.д.) детрита. Содержание углерода, азота и минеральных веществ в подстилке изменяется в зависимости от фракционного состава и степени ее разложения. Подстилка содержит меньше углерода, чем растительный опад. Часть его теряется при выщелачивании водорастворимых углеводов, часть выделяется в форме СО2 при разложении растительных остатков. Поэтому углерода в подстилках содержится 25-40 % [5].

Подстилкой обусловливаются горизонто- и профилеобразующие элементарные почвенные процессы. От характера и степени гумификации органического вещества подстилки и взаимосвязи ее с нижележащими минеральными горизонтами зависит формирование различных генетических типов и подтипов почв. Так, продуцируемые подстилочной массой органические кислоты выступают основным действующим началом подзолообразования, в результате которого формируется подзолистый горизонт в подзолах, подзолистых и дерново-подзолистых почвах. В криоторфянистых почвах профиль образован главным образом влажной торфяной подстилкой. Подстилка используется в

современной диагностике и классификации почв (например, типы: торфяно-подбуры, торфяно-криоземы, торфяно-подзолисто-глеевые и др.).

В последнее десятилетие появилось множество исследований биологического круговорота в наземных экосистемах, которые рассматривают подстилку как основное депо углерода, азота и зольных элементов. Однако данные по количественным показателям биологического круговорота и роли в нем органического вещества подстилки разрозненные и нуждаются в систематизации и обобщении.

По результатам экспертных данных сделаны следующие выводы. В некоторых работах почвоведов рассматриваются вопросы формирования почвенного профиля, исходя из данных о количестве химических элементов в растительных остатках опада и подстилки. Лесная подстилка на длительное время выводит из почвообразования и биологического круговорота огромные массы зольных веществ и биофильных элементов. По данным В.А. Ковды, в хвойно-моховом лесу образуется обильная лесная подстилка, масса которой достигает 20-70, а иногда и 100 т\га. Подстилка содержит до 1000-3600 кг\га минеральных веществ и до 500-800 кг\га азота [1]. Из хвои и листьев очень легко выносятся водами соединения калия и азота, медленнее соединения фосфора, серы, магния. Кальций, кремнезем и полуторные окислы дольше всего сохраняются в разлагающемся опаде и в подстилке.

Величина потока зольных элементов и азота из подстилок характеризует интенсивность круговорота в различных экосистемах.

Скорость высвобождения химических элементов позволяет считать химический состав подстилки и интенсивность высвобождения химических элементов фактором, позволяющим определить устойчивость экосистем.

Однако имеющиеся сведения о влиянии этих показателей на устойчивость зональных плакорных и интразональных типов растительности являются недостаточными, так как:

- отсутствует анализ данных по содержанию химических элементов в подстилке и влиянию интенсивности освобождения химических элементов на устойчивость экосистем;

- не существует методики оценки качественных и количественных показателей малого биологического круговорота для диагностики устойчивости экосистем;

- отсутствует методика, позволяющая использовать данные по количеству химических элементов, соотношению С\1Ч, отношению углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот для оценки устойчивости биогеоценозов, дающей возможность в дальнейшем решать вопросы рационального природопользования.

Разработанная нами методика оценки устойчивости ареалов по качественным и количественным показателям малого биологического круговорота предусматривает следующие обязательные операции:

1. Анализ экспертных данных, позволяющий выделить количественные и качественные показатели малого биологического круговорота, влияющие на устойчивость ареалов. Использовались экспертные данные ведущих ученых географов, экологов, почвоведов. Выделены следующие показатели: химический состав подстилки и опада, интенсивность высвобождения химических элементов, соотношение гуминовых и фульвокислот (Сгк/Сфк), период биологической активности (ПБА, дни); интенсивность и характер биологического круговорота.

2. Характеристика морфофизиологических особенностей малого биологического круговорота в ареалах с известными запасами подстилки по следующим параметрам:

- характеристика запасов подстилки и наземного опада в ареале и преобладающие виды растительности;

- динамика органического вещества в ареалах; накопление органических остатков в подстилке и их химизм;

- общие черты почвенно-биологических процессов;

- оценка характера и скорости малого биологического круговорота, а также интенсивности высвобождения химических элементов из подстилки и устойчивости ареала.

3. Создание шкалы числовых показателей, содержания химических элементов в подстилке и почвенных профилях для диагностики устойчивости ареала:

- унификация количественных и качественных показателей биологического круговорота для определения устойчивости ареала и составление

шкалы числовых показателей;

- классификация типов устойчивости;

- описание количественных и качественных показателей, характеризующих каждый балл устойчивости;

- создание наглядных диагностических графических схем, показывающих особенности каждого ареала.

Исходя из сведений, приведенных в различных экспертных источниках, данные по биологическому круговороту могут использоваться для диагностики устойчивости экосистем. Такими данными являются количественные показатели, характеризующие интенсивность освобождения химических элементов из мертвых органических остатков, т.е. отношение количества химических элементов в подстилке и в зеленой части опада.

Химические элементы, содержащиеся в опаде, могут (в соответствии с различной интенсивностью процессов разложения органических остатков) задерживаться в подстилке или степном войлоке на более или менее продолжительное время.

Вопросы малого биологического круговорота, интенсивности высвобождения химических элементов из мертвых растительных остатков и формирования почвенного профиля рассматривались по различным методикам. Однако эти данные не являются достаточно полными и вполне сравнимыми, так как объектами исследований оказывались растительные сообщества и экосистемы различных стран. Таким образом, следует считать, что мы оперируем в значительной мере выборочными данными, которые позволят оценить роль химического состава подстилок в поддержании устойчивости биогеоценозов.

По экспертным данным, наибольшее количество химических элементов в соответствии с максимальной величиной подстилки содержится в подстилке кустарничковых тундр (ареал с запасами подстилки 849 ц/га) — 4200 кг/га и сосняков и ельников средней тайги (ареал с запасами подстилки 329 ц/га) — 1700-2200 кг/га, количество это возрастает при заболачивании (ареал с запасами подстилки 1414 ц/га).

В ареале широколиственных лесов умеренного пояса с запасами подстилки 151 ц/га и зоны черноземных степей с запасами подстилки 121 ц/га сумма химических элементов отличается незначительно (в пределах 800-1500 кг/га). Это объясняется тем, что, хотя в лиственных лесах меньше накапливается подстилки, зольность ее выше.

В субтропических лесах с запасами подстилки 101 ц/га количество химических элементов в подстилке порядка 600 кг/га, а во влажных тропических лесах при незначительной подстилке (19,2 ц/га) — менее 200 кг/га. Такого же порядка количества химических элементов в степном войлоке умеренно засушливых степей ареала с запасами подстилки 12,8 ц/га. В саваннах (ареал с запасами подстилки 16,3 ц/га) и сухих степях (12,8 ц/га) в подстилке содержится химических элементов меньше всего — от 16 до 70 кг/га.

В табл. 1 приведены данные по количеству химических элементов в подстилке и опаде, а также расчетная величина интенсивности высвобождения химических элементов.

Таблица 1

Количество химических элементов в подстилке и опаде и расчетная величина интенсивности высвобождения химических элементов по экспертным данным

№ п/п Ареал, запасы подстилки, ц/га Количество химических элементов в подстилке, кг/га (по экспертным данным) Количество химических элементов в опаде, кг/га (по экспертным данным) Интенсивность высвобождения химических элементов

1 2,6 <50 >5000 >0,001

2 12,8 50 5000 0,01

3 16,3 50-100 1500-5000 0,03-0,02

4 19,2 100-200 800-1500 0,12-0,1

5 33 200-300 500-800 0,2-0,4

6 101 300-750 350-500 1-1,5

7 121 750-2000 25-350 3-7

8 151 2000-5000 150-250 200-600

9 329 5000-10000 100-150 600-600

10 849 10000-25000 50-100 2000-2500

11 1414 >25000 <50 5000

Данные табл. 1 наглядно показывают, что с увеличением органического вещества опада особенно быстро нарастает количество химических элементов в ареале пустынь и сухих степей, постепенно снижаясь в ареалах саванн и влажных тропических лесов, тогда как в кустарничковых тундрах и сфагновых болотах соответствует 50-100 кг/га. Таким образом, количество химических элементов, поступающих с ежегодным опадом, обратно пропорционально массе опада.

Данные таблицы отражают пропорциональную зависимость количества мертвых растительных остатков от химических элементов, т.е. при увеличении запасов подстилки количество химических элементов увеличивается.

Для расчета интенсивности высвобождения химических элементов нами использовались данные по количеству химических элементов в опаде и подстилке. Анализ полученных данных, отражающих интенсивность высвобождения химических элементов, показывает, что все ареалы, которым соответствуют определенные типы растительности, располагаются в следующий ряд (по нарастанию): 1414 ц/га (сфагновые болота), 849 ц/га (кустарничковые тундры), 329 ц/га (сосняки, ельники), 33 ц/га (арктические тундры), 151 ц/га (березняки, широколиственные леса), 121 ц/га (степи), 101 ц/га (субтропические леса), 19,2 ц/га (влажные тропические леса), 16,3 ц/га (саванны) и 2,6 ц/га (пустыни).

Относительная величина интенсивности высвобождения химических элементов из мертвых растительных остатков может служить одним из количественных показателей, отражающих роль подстилки в устойчивости биогеоценозов. Именно он отражает скорость закрепления химических веществ в подстилке и возможность перемещения химических веществ по почвенному профилю.

Исходя из вышесказанного ясно, что запасы подстилки и скорость высвобождения химических элементов из мертвых растительных остатков коррелируют с данными по соотношению гуминовых и фульвокислот в почвах, так как являются результатом высвобождения химических элементов из органического вещества подстилки.

В свою очередь, гумусное состояние почв, по Д.С. Орлову [3], является функцией периода биологической активности (ПБА).

Данные по запасам подстилки в ареалах, соотношению углерода гуминовых к углероду гумусовых кислот и периода биологической активности, полученные по экспертным данным, приведены в табл. 2 .

Таблица 2

Показатели запасов подстилки, соотношения углерода гумусовых кислот к углероду фульвокислот и ПБА в ареалах по экспертным данным

№ п/п Ареал, запасы подстилки, ц/га С;К/СфК ПБА.дн.

1 2,6 0,7 0-60

2 12,8 1,0 120-180

3 16,3 0,8-1,2 60-180

4 19,2 0,3-0,5 365

5 33 0,5 0-60

6 101 0,25-0,5 180-210

7 121 2 150-175

8 151 0,9-1,7 125-145

9 329 0,2-0,7 70-110

10 849 0,3-0,5 30-90

И 1414 0,6-0,8 90-120

Данные табл. 2 отражают сложную зависимость между запасами подстилки, соотношением углерода гумусовых кислот к углероду фульвокислот и периодом биологической активности.

Показано, что минимальные запасы подстилки (2,6 ц.га) и краткий период ПБА в пустынных сообществах приводит к формированию почвенных профилей с преобладанием слабоконденсированных фракций фульвокислот.

Преобладание фульватного типа гумуса характерно также для ареалов влажнотропических лесов (19,2 ц/га) и саванн (16,3 ц/га), где период биологической активности достигает 365 дней в году.

В то же время формирование слабоконденсированных гумусовых веществ, преимущественно группы фульво-кислот, в том числе высокодисперсных, так называемых агрессивных фульво-кислот характерно и для ареалов тундровой (33, 849 ц/га) и таежной зон (329 ц/га). Одной из важнейших особенностей климатических условий этих ареалов является их сезонная динамика, что вызывает соответствующие изменения в течение почвообразовательного процесса. Сезонные изменения температуры и влажности почвы определяют динамику ее биологической активности; сезонной динамике подвержен состав почвенных растворов и характер миграции вещества в профиле почв и ландшафте; в течение года закономерно, вслед за изменениями гидротермических условий, меняются темпы и направленность процессов трансформации органического вещества.

В частности, одно из условий интенсивного гумусонакопления в черноземах ареала с запасами подстилки 121 ц/га — контрастность гидротермического режима, способствующая закреплению гумусовых кислот минеральной частью почвы, определяет высокую степень устойчивости ареала луговых степей.

Ограниченность данных по содержанию С/Ы в профилях почв в ареалах с известными запасами подстилки не позволяет сделать выводов об имеющей-

ся зависимости соотношения С/И в почвенном профиле от интенсивности высвобождения химических элементов. Однако, учитывая то, что исходя из экспертных данных, это соотношение обратно пропорционально количеству мертвых растительных остатков в экосистемах, можно сделать вывод о том, что чем выше запасы подстилки, тем большее количество химических элементов накапливается в ней и тем меньше соотношение С/И.

Анализ данных, отражающих накопление химических элементов в подстилке и наземном опаде и позволяющих оценить количественный и качественный состав химических элементов в мертвых растительных остатках, показал, что существуют несколько основополагающих зависимостей.

Максимальное количество химических элементов в подстилке соответствует минимальным показателям в опаде (ареалы с запасами подстилки 329, 449, 1414 ц/га), и расчетная величина интенсивности высвобождения химических элементов является наибольшей. Это свидетельствует о довольно невысокой устойчивости ареала, так как значительная часть химических веществ выносится за пределы почвенного профиля, гумусовый горизонт сформирован преимущественно фульвокислотами, соотношение С/И минимальное. Этому способствует ограниченный период в течение года, когда в почве существуют благоприятные для нормальной вегетации растений и жизнедеятельности почвенной биоты условия, т.е. температура воздуха превышает 100°С при достаточном запасе продуктивной влаги в почве.

Невысокая устойчивость экосистем характерна как для ареалов с минимальными запасами подстилки (2,6, 12,8 ц/га), так и для ареалов с максимальными запасами подстилки (329, 849, 1414 ц/га), что свидетельствует о сложной взаимосвязи между мертвым органическим веществом подстилки и содержании химических элементов в подстилке, опаде, почвенном профиле. Ведь в экосистемах с преобладанием пустынных и степных сообществ количество химических элементов в опаде во много раз превышает этот показатель в подстилке, а скорость освобождения снижается в десятки, даже сотни раз. Однако и в этом случае, устойчивость биогеоценоза остается невысокой благодаря тому, что незначительное количество химических веществ очень быстро вымывается из подстилки, практически не задерживаясь в почвенном профиле. Таким образом, не создается буфера химических элементов и энергии, и экосистема оказывается слабо защищенной практически от любых внешних воздействий.

Оптимальным запасом прочности обладает ареал черноземных луговых степей, в котором количество химических веществ в опаде в несколько раз ниже, чем тот же показатель в подстилке. Интенсивное высвобождение химических элементов из подстилки (низкое по сравнению с таежными ареалами и высокое по сравнению с пустынными), сезонная динамика климатических условий (ПБА - 150-175 дней) приводят к тому, что продукты гумификации в основном представлены высокомолекулярными перегнойными кислотами — преимущественно гуминовы-ми кислотами второй фракции. В ареале, таким образом, и в подстилке (благодаря выносу из нее химических элементов), и в гумусовом горизонте формируются буферные зоны, призванные обеспечить устойчивость экосистемы в случае внешнего воздействия климатических, антропогенных и других факторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ковда В.А. Биогеохимический круговорот и почвообразование // Биологический круговорот и процессы почвообразования. - Пущино, 1984.

2. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. - М.: Высш. шк., 1981.

3. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. - М.: Наука, 1996.

4. Перельман А.И. Геохимия. -М.: Наука, 1981.

5. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологического круговорота в основных типах растительности. - М.: Наука, 1965.

METHODS OF USE OF DATA ON SPEED OF CLEARING OF CHEMICAL ELEMENTS FROM A LAYING FOR DIAGNOSTICS OF STABILITY ECOSYSTEM

N.Y. Popova

Faculty Design of the architectural environment Russian the International Academy of Tourism • October str., 10, 141420, Moscow area, Shodnya, Russia

Is offered a technique of an estimation of stability of areas on qualitative and to quantity indicators of small biological circulation, including intensity of liberation of chemical elements,from a laying. This size reflects speed of fastening of chemical substances in a laying and an opportunity of moving of chemical substances on a soil structure. It is shown, that stocks of a laying and speed of liberation of chemical elements from the dead vegetative rests correlate with data on a parity(ratio) guminovih and fiilvo-acids in grounds, becous grow out liberation of chemical elements from organic substance of a laying.