Биогеохимический цикл кремния в искусственных лесных экосистемах техногенных ландшафтов

растения могут снизить негативное воздействие диоксида серы на население города Братска. Для этого необходимо в ассортименте древесно-кустарниковой растительности увеличить количество видов, активно поглощающих серу: тополь бальзамический, берлинский, дельтовидный, душистый; ива белая, козья, клен ясенелистный, береза пушистая, туя западная, дерен белый.

Рассматривая предельно-допустимые концентрации (ПДК) наиболее опасных загрязняющих веществ, поступающих с промплощадки алюминиевого завода, в атмосферном воздухе населенных мест, почве, растительности, кормовых культурах и травах и данные экологического мониторинга, видно, что достичь на прилегающих к промплощадке завода территориях концентраций фторсодержащих загрязняющих веществ уровня ПДК для хвойной растительности на современном этапе даже с учетом модернизации завода невозможно. Однако следует учесть, что согласно исследованиям многих авторов, хотя газообразные фториды являются наиболее агрессивными загрязнителями, но радиус их действия ограничивается 1-5 км. Поэтому, применяя функциональное зонирование территории санитарно-защитной зоны, определяется следующий режим лесопользования: выращивание газо-, пыле- и дымоустойчивых насаждений, характеризующихся быстрым ростом, максимальным ветвлением и облиствлением, обеспечивающих наибольшую санитарногигиеническую роль.

Литература

1. Гетко, Н.В. О газопоглотительной способности хвойных / Н.В. Гетко, Ю.З. Кулагин, Э.М. Яфаев // Экология хвойных. - Уфа: БФАН СССР, 1978. - С.112-120.

2. Кулагин, Ю.З. О газоаккумулирующей функции древесных растений / Э.З. Кулагин, С.А. Сергейчик // Экология. - 1982. - №6. - С.9-14.

--------♦'----------

УДК 631.445.53:630*232 Ю.В. Бабиченко

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ КРЕМНИЯ В ИСКУССТВЕННЫХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ*

Выявлены общие закономерности цикла кремния в культурах сосны техногенных ландшафтов. Исследования показали, что основная масса кремния сосредоточена в блоке «Почва», что характерно для литофильных элементов. В блоке «Растительность» при формировании древостоев и напочвенного покрова аккумулировалось менее 1 % от запасов в почвенном блоке. В органогенном горизонте инициальных почв и в мортмассе минеральной толщи консервируются запасы кремния, в 1,5-2 раз превышающие аккумуляцию этого элемента в ежегодной продукции экосистем.

Основной предпосылкой длительного существования лесных биогеоценозов, как и любой биосферной ячейки, является стабильность биогеохимических циклов элементов. Появление новых факторов неизбежно приводит к изменению параметров динамики органического вещества и круговорота минеральных элементов, смене доминирующих видов - продуцентов органического вещества, а значит, к новому состоянию биогеоценоза [8,9,13,14].

Техногенные новообразования значительно отличаются по своим структурно-функциональным особенностям от ранее существовавших природных экосистем, прежде всего, характером литогенной основы, рельефом и др. компонентами ландшафтов.

Известно, что лесные экосистемы являются регулятором экологической обстановки, и создание лесных культур на отвалах вскрышных пород способствует оптимизации ландшафтов лесостепи и сохраняет земли сельскохозяйственного фонда.

* Работа выполняется при поддержке РФФИ-ККФН (грант 05-0597704).

Биогеохимический круговорот вещества и энергии является функциональным свойством живого вещества экосистемы, связывающего различные компоненты в единое целое. Антропогенные воздействия прежде всего отражаются на состоянии живого вещества. Мерой антропогенного воздействия на природные комплексы является сохранение или изменение биогеохимического цикла [5,7].

Круговорот вещества и энергии в естественных лесных экосистемах изучены достаточно полно, хотя очень часто исследователи ограничиваются сопоставлением запасов химических элементов в отдельных блоках [1,5,7]. Исследования биогеохимического круговорота в искусственных лесных экосистемах единичны, а в лесных экосистемах, созданных в техногенных ландшафтах, нам не известны [3].

Цель настоящей работы - изучить цикл кремния почва^фитоценоз^почва в искусственных лесных экосистемах, созданных на отвалах вскрышных пород Назаровского угольного разреза.

Назаровская котловина характеризуется благоприятными биоклиматическими условиями. Средняя температура воздуха в январе минус 16-200С, в июле плюс 17-180С. Сумма температур >100С 1500-17000С, гидротермический коэффициент составляет 1,2-1,6 [9].

Культуры сосны обыкновенной sylvestris) создавались в различные годы отделом рекультивации земель Назаровского угольного разреза 2-3-летними саженцами в борозды, нарезанные плугом СЛН-1 (табл. 1). Отвалы представляют собой хаотичные смеси различных слоев вскрыши, отличающиеся и геологическим возрастом, и свойствами [13,14].

Существенное влияние на свойства отвалов оказывают различные способы вскрыши угольных разрезов. Так, сортировка гранулометрических фракций при формировании Восточного и Сереженского гидроотвалов способствовала облегчению гранулометрического состава верхней части субстрата, и по гранулометрическому составу они относятся к легким суглинкам. Бестранспортный отвал по мере добычи угля формировался путем неоднократного перекладывания вскрышных пород экскаватором в пределах участка угольного разреза.

Отвалы характеризуются нейтральной или слабощелочной реакцией (рНводн - 7,0-7,9), содержание СО2 карбонатов - 0,14-3,81%, емкость обмена 9-30 мг.экв/100 г субстрата. Почвенно-поглощающий комплекс насыщен Са и Мд, содержание обменного Na 0,17-0,26 мг.экв/100 г субстрата, сухой остаток водной вытяжки не превышает 0,2%. Вариабельность ^%) физико-химических параметров более 30%. Среднее содержание углерода в отвалах при посадке культур сосны составляло 0,42% при V=69%. В 2004 году была проведена повторная таксация культур сосны.

Фитомасса древостоев (древесина ствола, ветви, хвоя, кора, шишки, корни) рассчитывалась по таксационным параметрам древостоев с использованием конверсионных коэффициентов [10,11]. Надземная фитомасса травяно-кустарничкого покрова, подстилка учитывались шаблоном (0,03 м2), подземная учитывалась кольцом ^=10 см) по глубинам 0-5 см, 5-10, 10-20 и 20-40 см в десятикратной повторности. Почвенные образцы отбирались буром в этих же точках по слоям 0-5 см, 5-10, 10-20, 20-40 см в десятикратной повторности. Концентрация кремния во всех фракциях древостоя и напочвенного покрова определялась спектроскопическим методом [2]. Скорость разложения опада рассчитывалась по константам разложения, которые установлены экспериментальным путем [4,12]. Приняты константы разложения свежего опада: хвоя - 0,30, ветки - 0,10, кора - 0,05, шишки - 0,04, трава - 0,33, корни - 0,11; подстилки: подгоризонт 01 - 0,21, подгоризонты 02 и 03 - 0,14; подземная мортмасса: свежий корневой опад - 0,33, мертвые корни - 0,12, прочая мортмасса - 0,03.

Древостои сосны, созданные на отвалах вскрышных пород, имеют соответствующие их возрасту таксационные характеристики и оцениваются 1а и I классом бонитета. Культуры сосны Восточного гидроотвала по высоте и диаметру древостоев, запасам древесины и фитомассы даже превосходят одновозрастные культуры сосны на агросерых почвах. Существенные различия между этими пробными площадями прослеживаются и по запасам мортмассы, что обусловлено различиями в общих запасах фитомассы древостоев и замедленной трансформацией надземного и подземного опада в инициальных почвах отвала (табл. 1).

Биологический круговорот минеральных элементов поддерживается поступлением их из одного источника - земной коры (почвы). Большая часть химических элементов была вовлечена в миграцию в системе почва^растение^почва в результате гипергенной трансформации алюмосиликатного вещества земной коры. Кремний ^) - второй по распространенности после кислорода химический элемент как в земной коре (29,5%), так и в почве (33%). Кремний широко используется растительными организмами для построения оболочек клеток, прочных тканей и скелета [5, 6, 7].

Таблица 1

Морфотаксационная характеристика искусственных лесных экосистем

Показатель Восточный гидроотвал Сереженский гидроотвал Бестранспортный отвал Агросерые почвы хр. Арга

Год создания 1971 1981 1985 1972

Биологический возраст, лет 35 25 21 34

Средняя высота, м 14,2 11,6 8,8 13,3

Средний диаметр, см 14,6 11,9 9,2 13,7

Густота, шгга-1 2580 1200 2941 2360

Запас древесины, м3га-1 294 83 105 225

Класс бонитета 1а I I І

Фитомасса: древостой, т/га 165,0 44,7 59,5 126,4

напочвенный покров, т/га 4,9 4,3 3,9 5,6

годичная продукция, т/га 16,6 8,9 12,0 14,5

Мортмасса: подстилка, т/га 33,3 12,9 16,7 20,2

корневой отпад, т/га 17,4 5,7 5,3 4,4

Исследования показали, что существенных различий в содержании этого элемента в различных фракциях древостоя не выявлено. Наметилась тенденция увеличения его концентрации в различных фракциях с возрастом древостоя. Пространственная изменчивость концентрации кремния составляет в среднем 5-10%, но в отдельных случаях увеличивается до 30%, что характерно для содержания элемента в коре древостоев (табл. 2).

Таблица 2

Концентрация кремния в различных фракциях древостоя и напочвенного покрова

Параметр Восточный гидроотвал Сереженский гидроотвал Бестранспортный отвал Агросерые почвы

М ч% М ч% М ч% М ч%

Древесина ствола 0,19 5 0,10 10 0,20 5 0,17 12

Ветви 0,14 7 0,15 7 0,15 10 0,14 7

Кора 0,18 18 0,10 30 0,12 18 0,11 9

Хвоя 0,14 6 0,11 10 0,21 5 0,17 11

Шишки 0,14 9 0,10 10 0,10 10 0,11 9

Корни древесные (крупные) 0,11 9 0,11 11 0,12 8 0,17 12

Напочвенный покров: надземный 0,13 0,14 0,14 0,14

корни (травянистые+мелкие древесные) 0,12 5 0,09 7 0,10 9 0,09 4

Мортмасса: подстилка 0,11 8 0,10 7 0,13 6 0,13 5

мертвые корни 0,07 10 0,11 11 0,06 9 0,11 8

прочая мортмасса 0,08 9 0,11 5 0,12 10 0,12 12

В слое почвы 0-40 см запасы кремния составляют 1530-2077 т/га-1. Эффект биогенного накопления кремния в почве не выражен, так как запас его в материнской породе велик, а потребность в нем растений снижена по сравнению с такими элементами, как например, кальций и магний.

Для формирования фитомассы древостоев и напочвенного покрова использовалось менее 1% щелочных земель слоя литосферы, охваченного интенсивным почвообразованием (табл. 3).

Таблица 3

Аккумуляция кремния в фитоценозах, кг/га

Показатель Восточный Сереженский Бестранспортный Агросерые

гидроотвал гидроотвал отвал почвы

Фитомасса древостоя 286,04 48,82 100,17 187,01

В т.ч.: древесина ствола 197,40 29,37 62,89 120,96

хвоя 20,30 5,46 8,12 15,54

ветви 19,91 4,41 12,45 16,68

кора 26,98 4,18 9,31 17,44

надземная часть в целом 264,59 43,42 92,77 170,62

корни 21,45 5,40 7,40 16,39

Напочвенный покров в целом 5,90 4,12 4,16 4,80

В т.ч.: надземная 0,26 0,70 0,26 0,84

подземная 5,64 3,42 3,90 3,96

Итого 291,94 52,94 104,33 191,81

Подстилка: 01 4,22 2,86 3,96 3,83

02 24,46 8,88 16,37 16,86

03 6,92 2,22 2,01 3,20

Всего 35,60 13,96 22,34 23,89

Корневой отпад 12,92 5,91 9,54 6,84

Всего 48,52 19,87 31,88 30,73

Всего в фитоценозе 340,46 72,81 136,21 222,54

В минеральном слое почвы 0-40 см, т/га 1587,47 1530,10 2077,52 1585,57

Ежегодно в чистой первичной продукции ^РР) древостоев сосны аккумулируется от 7 кг Si га-1 год-1 на Сереженском гидроотвале до 20 кг Si га-1 год-1 на Восточном гидроотвале. Основное его количество сосредоточено в наземной продукции: на Сереженском гидроотвале - 79%, на Бестранспортном отвале и аг-росерых почвах - 84%, на Восточном гидроотвале - 89% от аккумуляции в приросте (табл. 4).

Таблица 4

Цикл кремния в культурах сосны, кг/га-1 год

Составляющие баланса Восточный гидроотвал Сереженский гидроотвал Бестранспортный отвал Агросерые почвы

1 2 3 4 5

Аккумуляция в продукции древостоя: надземная 17,70 4,81 12,01 10,75

подземная 2,06 0,92 1,24 1,78

Травянистый ярус 0,50 1,24 2,36 1,47

В т.ч.: надземная 0,26 0,70 1,26 0,84

подземная 0,24 0,54 1,10 0,63

Всего 20,26 6,97 14,35 16,00

Опад: древостой 4,72 2,32 4,11 4,14

травяно-кустарничковый ярус 0,50 1,24 2,36 1,47

Всего 5,22 3,56 6,47 5,61

Окончание табл. 4

1 2 3 4 5

Освободилось при минерализации: свежего опада 1,33 1,00 1,87 1,50

мортмассы 5,65 2,49 3,71 4,20

Всего 6,98 3,49 5,58 5,70

Вход ^РР) 20,26 6,97 14,35 16,00

Выход (поступило в почву) 6,98 3,49 5,58 5,70

Баланс + 13,28 + 3,48 + 8,77 + 10,30

Доля древесины ствола в аккумуляции Si составляет от 30 до 46%, хвои - 17-21%, шишек, ветвей и коры - 2-10%. В корневых системах сосны аккумулируется 9-13% кремния NPP.

В общем, в подземной продукции, в которую входят древесные корни и корни травы, сосредоточено от 11 (Восточный гидроотвал) до 21% (Сереженский гидроотвал) кремния NPP.

На почву и в почву с опадом поступает от 3,5 (Сереженский гидроотвал) до 5,6 кг Si га-1 год-1 (агросе-рые почвы хр. Арга), при этом возвращается 1-1,8 кг Si га-1 год-1, что составляет 7-14% кремния, используемого при создании NPP. Наибольшее количество кремния освобождается при деструкции свежего опада более молодых древостоев Сереженского и Бестранспортного отвалов, что указывает на более высокую интенсивность круговорота элемента.

В мортмассе отвалов кремния аккумулируется 19-48 кг/га-1, агросерых почв - 30 кг/га-1. Основную долю мортмассы составляет хвоя. В мортмассе Восточного и Бестранспортного отвалов значительное количество элемента сосредоточено в грибном мицелии: 5 и 4 кг/га-1 соответственно. Однако при деструкции мортмассы доля освободившегося из мицелия кремния составляет всего 6-7%. Общая доля освободившегося из мортмассы кремния на отвалах равна 12%, а на агросерых почвах - 14%.

Суммарное освобождение кремния при минерализации мертвых растительных остатков на отвалах составляет 34-50% от депонированного в чистой продукции, более интенсивно (50%) освобождение идет на Сереженском гидроотвале. На агросерых почвах суммарное освобождение этого элемента - 36%, что сближает эту экосистему с экосистемами на Восточном и Бестранспортном отвалах.

В мортмассе консервируются запасы кремния, превышающие в 1,5-2 раза его ежегодную аккумуляцию в NPP.

Удельная скорость освобождения элемента на Сереженском и Бестранспортном отвалах составляет

0.17.кг Si кг год-1, на Восточном гидроотвале - 0,15, на агросерых почвах - 0,18 кг Si кг год-1.

Итак, выявлены общие закономерности цикла кремния в культурах сосны техногенных ландшафтов. Основная масса кремния, как и в естественных лесных экосистемах, сосредоточена в блоке «Почва», что характерно для литофильных элементов. В блоке «Растительность» при формировании древостоев и напочвенного покрова аккумулировалось менее 1% от запасов в почвенном блоке. В органогенном горизонте инициальных почв и в мортмассе минеральной толщи консервируются запасы кремния, в 1,5-2 раз превышающие аккумуляцию этого элемента в ежегодной продукции экосистем.

Цикл круговорота кремния, как и других химических элементов, складывается из совокупности процессов образования, отмирания и разложения растительного вещества и ограничивается системой поч-ва^фитоценоз^почва и осуществляется по типу круговорота химических элементов в естественных лесных экосистемах. Следовательно, в настоящий период лесные экосистемы техногенных ландшафтов характеризуются устойчивым типом круговорота кремния и указывают на возможность и целесообразность создания в экстремальных условиях технически рекультивированных отвалов искусственных лесных экосистем, способных выполнять средообразующие и биосферные функции.

Литература

1. Базилевич, Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии / Н.И. Базилевич. - М.: Наука, 1993. - 293 с.

2. Борцов, В.С. Использование автоматизированной системы на основе обратательной спектроскопии в исследовании агроценозов: автореф. дис. ... канд. биол. наук / В.С. Борцов. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2002. - 18 с.

3. Ведрова, Э.Ф. Баланс углерода в сосняках Средней Сибири / Э.Ф. Ведрова // Сиб. экол. журн. - 1994. -№4. - С. 375-382.

4. Ведрова, Э.Ф. Интенсивность разложения органического вещества на поверхности и в толще почвы // Лесные экосистемы Енисейского меридиана / Э.Ф. Ведрова. - Новосибирск: Изд-во СОРАН, 2002. -С. 231-240.

5. Вернадский, В.И. Живое вещество / В.И. Вернадский. - М.: Наука, 1978. - 358 с.

6. Диви, Э. мл. Круговорот минеральных веществ / Э. Диви// Биосфера. - М.: Мир, 1972. - 0.120-138.

7. Добровольский, В.Д. Основы биогеохимии / В.Д. Добровольский. - М.: Academa, 2003. - 397 с.

8. Леса КАТЭКа как фактор стабилизации среды. - Красноярск: Изд-во ИЛиД, 1983. - 161 с.

9. Природа и хозяйство района первоочередного формирования КАТЭКа. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1983. - 261 с.

10. Методика определения запасов фитомассы и углерода лесных сообществ / В.Д. Стаканов [и др.]. -Красноярск: Ил, 1994. - С. 48-66.

11. Усольцев, В.А. Методы определения биологической продуктивности насаждений / В.А. Усольцев, С.В. Залесов. - Екатеринбург: Изд-во УГЛУ, 2005. - 147 с.

12. Шугалей, Л.С. Антропогенез лесных почв юга Средней Сибири / Л.С. Шугалей. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1991. - 184 с.

13. Шугалей, Л.С. Формирование лесных биогеоценозов на рекультивированных землях КАТЭКа / Л.С. Шугалей, Г.И. Яшихин, Н.Л. Нефодина // География и природные ресурсы. - 1984. - №1. - С. 30-32.

14. Шугалей, Л.С. Биологическая рекультивация нарушенных земель КАТЭКа / Л.С. Шугалей, Г.И. Яшихин, В.К. Дмитриенко. - Красноярск: Изд-во КГУ, 1996. - 186 с.

---------♦------------

УДК 630.17:582.475:504.064.36 (571.53) О.П. Ковылина, И.А. Зарубина,

А.Н. Ковылин

ЖИЗНЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В ПРИГОРОДНОЙ ЗОНЕ г. УСТЬ-ИЛИМСКА

В статье представлены результаты оценки жизненного состояния лесных культур сосны обыкновенной в пригородной зоне г. Усть-Илимска. Состояние лесных культур рассчитано по трем показателям: количеству деревьев по категориям состояния, объему стволов каждой категории, жизненному состоянию древостоя. В наибольшей степени, с учетом полученных коэффициентов, повреждены деревья в непосредственной близости от предприятия. Показана динамика изменения длины и массы хвои на побегах разного порядка.

Введение. На загрязнение среды наиболее сильно реагируют хвойные древесные растения. Характерными признаками неблагополучия окружающей среды и особенно газового состава атмосферы служат появление разного рода хлорозов и некрозов, уменьшение размеров ряда органов (например, длины хвои). Основным методом для сравнительной оценки степени техногенной трансформации структурных образований лесных фитоценозов под воздействием аэротехногенных выбросов различных производств является закладка постоянных пробных площадей на различном расстоянии от источника загрязнения и на чистых лесных участках. Данный методический подход был использован для выявления степени воздействия выбросов целлюлозно-бумажного производства на окружающие лесные экосистемы.

Усть-Илимский лесопромышленный комплекс расположен на берегу реки Ангары и производит выпуск следующей продукции: целлюлоза сульфатная беленая из хвойных и лиственных пород, канифоль таловая, скипидар сульфатный очищенный, кислоты жирные таловые, масло таловое дистиллированное, сульфатное мыло, химикаты для собственного производства, пиловочник, пиломатериалы обрезные, продукция машиностроения [2]. Основными загрязняющими веществами, выбрасываемыми в атмосферный воздух, являются: метилмеркаптан, диметилсульфид, диоксид серы, сероводород, диоксид азота, оксид углерода, сероводород. К числу наиболее распространенных опасных веществ, загрязняющих водные объекты, относятся нефтепродукты, фенол, лигнин, скипидар, формальдегид, диметилсульфид, метилмеркаптан, ХПК, БПК, метиловый спирт (метанол), таловое масло.