Оценка интенсивности процессов трансформации органического вещества подстилки для диагностики устойчивости экосистем

ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА 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 интенсивности разложения мертвых растительных остатков, содержащихся в подстилке ареалов, и разработана шкала устойчивости ареалов по величине подстилочно-опадного коэффициента (ПОК). Рассчитанная величина ПОК использована как один из показателей, позволяющих прогнозировать устойчивость и инвариантность экосистем.

Для выяснения устойчивости и прогнозирования изменений ее состояний используются показатели биогеохимического круговорота в экосистемах суши, которые можно оценить с помощью системы вещественно-энергетических параметров, отражающих процессы накопления мертвых растительных остатков и их трансформации.

Скорость разложения мертвого органического вещества подстилки и войлока может служить критерием, определяющим устойчивость биогеоценоза и позволяющим определить качественные и количественные показатели малого биологического круговорота.

В некоторых исследованиях для характеристики детритной ветви круговорота используются данные по величине подстилочно-опадного коэффициента (отношение массы лесной подстилки или степного войлока к величине наземного опа-да) [1,2,3,4]. Этот индекс выражается в числах лет, необходимых для накопления массы лесной подстилки (или ветоши) при имеющихся скоростях ежегодного поступления в опад и последующего разложения органического вещества.

Подстилочно-опадный коэффициент (далее - ПОК) используется при изучении структурно-функциональной организации природных экосистем и по существу является показателем экологической эффективности их почвенно-фитоце-нотического ядра. Этот параметр служит мерой начальной обеспеченности продвижения органического вещества (и энергии) по всей трофической цепи, и, следовательно, является показателем работы растительного вещества по устойчивому функционированию экосистемы.

В нашем исследовании использовался вариант расчета ПОК по Н.И. Базилевич, Л.Е. Родину [1], так как он позволяет использовать имеющиеся данные по запасам подстилки и величине наземного опада в 330 пунктах.

Для определения интенсивности процессов трансформации (разложения) органического вещества подстилки и других органогенных горизонтов в ареалах с известными запасами подстилки как критерия устойчивости экосистем нами предложена методика, позволяющая оценить интенсивность разложения мертвых растительных остатков, содержащихся в подстилке ареалов, и разработать шкалу устойчивости ареалов по величине подстилочно-опадного коэффициента. Методика позволяет решить поставленную задачу, используя экспертные данные и математические методы.

Предложенная нами методика состоит из следующих этапов:

1. Используя данные о пунктах с различными запасами лесной подстилки (степного войлока) и величине наземного опада в них, полученные из материалов экспертов - ведущих ученых географов, экологов, почвоведов, построена таблица и произведен расчет подстилочно-опад-ного коэффициента (годы).

2. Построение кривой зависимости запасов подстилки от величины под-стилочно-опадного коэффициента, позволяющей оценить степень влияния интенсивности разложения мертвых растительных остатков на формирование органогенных горизонтов.

3. Характеристика интенсивности разложения мертвых растительных остатков в ареалах в зависимости от морфофизиологических условий их расположения.

4. Создание шкалы устойчивости ареалов, используя данные о величине подсти-лочно-опадного коэффициента в экосистемах с известными запасами подстилки.

В основе разработанной нами методики лежат данные по запасам подстилки и величине наземного опада в 330 пунктах, расположенных в различных экосистемах земного шара. Они получены по литературным источникам и материалам ведущих ученых.

Результаты расчетов и анализ карты и кривых распределения показали, что наибольшая величина этого индекса для зональных плакорных сообществ кус-тарничковых тундр составляет — 92 (в интразональных сообществах лесных сфагновых болот указанное соотношение превышает 100), для сосняков южной тайги — 17, 15, 10, соответственно, для березняков — 7, широколиственных лесов — 34, для степей — 1-1,5, субтропических лесов — 0,7, а для влажных тропических лесов этот индекс выражается ничтожной величиной — ОД.

Максимальная интенсивность разложения растительных остатков отмечается в ареале кустарничковых тундр и лесотундр с запасами подстилки 121-1017 (ср. 849) ц\га. Незначительная величина наземного опада (9 ц/га) наряду с невысокой теплообеспеченностью (сумма активных температур 300-500°С/год, средняя температура самого теплого месяца 11-14° С) ограничивают деятельность напочвенных редуцентов и приводят к ослаблению интенсивности разложения мертвых растительных остатков, замедленному освобождению вещества и энергии.

В интразональных сообществах (сфагновые болота) интенсивность разложения растительных остатков снижается до минимальных величин, следствием чего являются максимальные запасы подстилки на суше.

Таким образом, уровень устойчивости ареалов кустарничковых тундр и сфагновых болот Западной Сибири можно считать очень высоким.

Скорость разложения растительных остатков в ареале с запасами подстилки 329 ц/га зависит, в первую очередь, от массы и состава опада. По некоторым данным [2], общие потери массы подстилки при разложении в сообществах средней тайги равны 29-32%, северной — 20-25%. Для этого ареала характерен замедленный тип разложения-минерализации растительного опада, что обусловлено, в свою очередь, относительно большей ролью сосущих корней в подстилке и их физиологической активностью при низких положительных температурах.

Устойчивость хвойных биогеоценозов к условиям Севера в значительной мере определяется своеобразной ролью лесной подстилки. Большие запасы элементов питания и энергии в ней, в несколько раз превышающие ежегодную потребность фитоценоза, очевидно, необходимы для успешного функционирования еловых и сосновых экосистем в условиях Севера.

Интенсивность разложения растительных остатков (от 34 до 1, 5) отмечается для ареала широколиственных лесов с запасами подстилки 151 ц/га и зоны лесостепей с запасами подстилки 121 ц/га.

Соотношение тепла и влаги в ареалах с запасами подстилки 54-186 ц/га оптимально для сезонной активности редуцентов благодаря достаточно длительному периоду биологической активности. Накоплению в виде подстилки подвергаются в основном растительные остатки, поступающие в опад зимой, так называемый «осенне-весенний» опад (слабо разлагающиеся древесные части, многолетние растения), поэтому скорость разложения и минерализации наземного опада неодинакова в разные сезоны: максимальна в летний период (однолетние растения), минимальна - в зимний. Эти положения свидетельствуют о том, что интенсивность разложения меняется в течение всего года в зависимости от сочетания климатических (гидротермический фактор) и косвенных (деятельность редуцентов) параметров.

Надо учитывать также, что лесостепь, по мнению многих исследователей, по своему богатству, разнообразию и устойчивости следует признать наиболее сложившимся и древним зональным типом, степные и лесные сообщества - дериватами лесостепи, не успевшими еще дифференцироваться в достаточной степени в силу возраста и условии. Будучи ареной длительных и конкурентных отношений древесно-лесных и травянисто-степных сообществ лесостепь прошла достаточно длительный путь с выработкой определенных механизмов устойчивости.

Это позволяет сделать вывод о том, что при «сезонной» интенсивности разложения растительных остатков ареал характеризуется высокой устойчивостью.

Максимальная интенсивность разложения мертвого органического вещества (менее 1) отмечена в ареалах с запасами подстилки < 60 ц/га, которые расположены в аридном климате, в жарком гумидном климате и в высоких широтах (выше Северного полярного круга).

В аридном климате (степи типичная, засушливая, субтропическая; полупустыни и пустыни умеренного, субтропического и тропического поясов) высокие величины ПОК определяются тем, что в условиях крайне недостаточного увлажнения, высокой теплообеспеченности, короткого периода биологической активности активная деятельность редуцентов подвергает разложению и минерализации практически весь незначительный наземный опад.

В высоких широтах (выше Северного Полярного круга) в ареале типичных тундр и полярных пустынь с запасами подстилки 33 ц/га высокие скорости разложения мертвых растительных остатков определяются суровыми арктическими условиями: теплообепеченностью ниже 300°С/год, радиационным балансом от +20 до — 10 ккал/см х год, температурой самого теплого месяца от < 5 до 14°С. Благодаря низкой численности редуцентов, ограниченности периода их жизнедеятельности наряду с незначительной величиной опада интенсивность разложения достигает максимальных величин в короткий период биологической активности, ограниченный 50 днями в году.

В жарком гумидном климате в ареалах тропических лесов и саванн с запасами подстилки 16,3-19, 2 ц/га индекс подстилочно-опадного коэффициента максимальный на суше. Наиболее динамичным разложением органического вещества подстилки ареалы обязаны сочетанию гидротермических условий (ареал не имеет ограничения из-за избытка тепла, избыточного увлажнения) и деятельности редуцентов, которые активны в течение всего года, равного периоду биологической активности, и которые подвергают разложению и минерализации практически весь наземный опад. Следовательно, уровень устойчивости ареалов

с показателем ПОК ниже 1,0 можно считать очень низким, так как основной энергетический и пищевой ресурс экосистемы — подстилка - очень мал и не может обеспечить высокий уровень потенциальной устойчивости ареалу.

Для обеспечения возможности использования данных по интенсивности разложения мертвых растительных остатков, характеризующейся индексом ПОК, для диагностики устойчивости экосистем данные сведены в шкалу числовых показателей. Каждый балл этой шкалы имеет определенные количественные значения подстилочно-опадного коэффициента и запасов подстилки в основных экосистемах суши (табл.). На основе этой шкалы можно определить устойчивость биогеоценоза и, применяя методы рационального природопользования, оптимизировать народнохозяйственную деятельность в регионе.

Таблица

Шкала определения устойчивости по величине подстилочно-опадного коэффициента

Балл Подстилочно-опадный коэффициент, Запасы подстилки,

устойчивости расчетная величина, годы ц/га

1 92

менее 1 2,6,-16,3, 19,2, 33, 101

2 10-20 329

3 4-7 151

4 1,5-3,5 121

Наименьший балл устойчивости 1 — характерен для экосистем, условия формирования которых определяются минимальными и максимальными показателями интенсивности разложения растительных остатков.

Максимальный показатель ПОК отмечен для зональных (кустарничковая тундра) и интразональных типов (сфагновые болота Западной Сибири) растительных сообществ, интенсивность разложения в которых сильно заторможена из-за неблагоприятных условий для деятельности редуцентов.

Минимальная интенсивность показана для экосистем влажных тропических и субтропических лесов и саванн, а также для арктических пустынь и пустынь умеренного, субтропического и тропического поясов. В этом случае мы наблюдаем обратное: интенсивность разложения мертвого органического вещества очень высока благодаря сочетанию гидротермического фактора, величины наземного опада и деятельности редуцентов.

Состояние ареала с запасами подстилки 329 ц/га оценено низким баллом устойчивости — 2, что обусловлено, главным образом, тем, что интенсивность разложения растительных остатков, по сравнению с лесотундрами, резко увеличивается благодаря удлинению периода биологической активности, показателям наземного опада и численность редуцентов.

Средний уровень устойчивости биогеоценозов 3 балла - отмечен для экосистем широколиственных лесов, дубрав и бучин, в которых проявляется сезонность деятельности редуцентов и разложения опада.

Максимальный уровень устойчивости — 4 балла, характерен для зоны лесостепей, подстилочно-опадный коэффициент которой близок к оптимальным величинам. Именно здесь интенсивность разложения органических веществ благодаря деятельность подстилочной биоты приобретает сезонный характер: снижается в зимний период времени и увеличивается в летний, что обусловлено условиями теплообеспеченности и увлажнения.

Важная и во многом приоритетная роль подстилки в малом биологическом круговороте обусловлена тем, что у природных экосистем выработан «механизм процесса полной гетеротрофной утилизации от процессов их созидания» [5]. Бла-

Важная и во многом приоритетная роль подстилки в малом биологическом круговороте обусловлена тем, что у природных экосистем выработан «механизм процесса полной гетеротрофной утилизации от процессов их созидания» [5]. Благодаря этому подстилка (или ветошь) и другие органо-минеральные горизонты почвы служат своего рода кладовой необходимых питательных соединений для растений, а интенсивность разложения подстилки, определяемой величиной под-стилочно-опадного коэффициента, может служить для диагностики устойчивости биогеоценоза. Если атмосфера и фитосреда именуются как обменный фонд экосистемы, то лесная подстилка служит ее резервным фондом, обеспечивающим стабильность функционирования экосистемы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Базилевич НИ., Родин Л.Е. Динамика органического вещества и биологический круговорот в основных типах растительности. - М.: Наука, 1965.

2. Бобкова К. С. Роль лесной подстилки в функционировании хвойных экосистем Европейского Севера. - М.: Наука, 2004.

3. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. - М.: Наука, 1988.

4. Коломыц Э.Г. Региональная модель глобальных изменений природной среды. -М.: Наука, 2003.

5. Одум Ю. Основы экологии. - М.: Мир, 1975.

TECHNIQUE OF AN ESTIMATION OF INTENSITY OF DECOMPOSITION OF THE DEAD VEGETATIVE RESTS CONTAINING IN A LAYING OF AREAS

N.V. Popova

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

Is offered a technique of an estimation of intensity of decomposition of the dead vegetative rests containing in a laying of areas, and the scale of stability of areas on size podstilochno-opadnogo factor is developed (POK). The calculated size POK is used as one of the parameters, allowing to predict stability and invariancy ecosystems.