Статьи

Работа посвящена оценке влияния биотических, абиотических и антропогенных факторов на динамику продукционных процессов различных экосистем, расположенных в одной природно-климатической подзоне — южной тайге Восточно-Европейской равнины.

Исследование проводили на четырех ключевых участках во Владимирской обл., расположенных в разных ландшафтных провинциях с аналогичными климатическими условиями, различающихся особенностями почвенно-растительного покрова, антропогенной нагрузкой и структурой землепользования. Расчет показателей продуктивности в углеродных единицах основан на данных MODIS GPP/NPP. Запасы органического углерода в почве определены по данным продовольственной организации ООН (ФАО) на основе модуля «Trends.Earth» ГИС пакета QGIS.

Общим для четырех экосистем является ход изменения показателей продуктивности растительности по годам на фоне ее абсолютных значений. Благоприятные условия для накопления углерода в почве складываются на территориях с высокой продуктивностью и большим количеством зарастающих угодий. Результаты дисперсионного анализа ANOVA демонстрируют то, что факторы времени и пространственного положения ключевых участков не влияют на содержание органического углерода почвы и валовую биологическую продуктивность. Значимым фактором является структура землепользования. Показано, что недостаточная продуктивность одних экосистем компенсируется ростом продуктивности соседних; следовательно, сохранение внутриландшафтного разнообразия — необходимое условие стабильности их функционирования.

Изучен состав водных вытяжек почв, развивающихся в пределах гетеролитного геохимического ландшафта бассейна р. Клязьмы в ее верхнем течении. Основным фактором, который определяет содержание водорастворимых компонентов, является генезис и положение почвы в ряду элементарных ландшафтов. Специфика содержания водорастворимых макро- и микроэлементов в профиле почв вне зоны антропогенного влияния зависит от их элювиально-иллювиального строения. В условиях вышедшего из поемного режима супераквального ландшафта со сложным почвенным покровом особенности распределения водорастворимых компонентов в профиле обусловлены карбонатностью и близостью к поверхности почвенно грунтовых вод. Дополнительный фактор — подстилание почв торфяниками. Показано, что кальций относится к числу важнейших элементов, которые формируют специфику изучаемого гетеролитно го ландшафта. Различия состава водорастворимых компонентов для каждой из почв подтверждаются результатами кластерного анализа.

В статье представлены результаты анализа структурных и функциональных показателей бактериальных комплексов полных профилей низинных торфяников болотных массивов «Клюквенное» и «Карбышевское» Томской обл. Люминесцентно-микроскопический метод показал наличие бактерий по всему профилю, их численность высока и варьирует от 27 до 78 · 10⁹ кл/г сухого торфа. Методом посева установлена высокая численность бактерий сапротрофного комплекса, которая составляет 10⁸-10⁹ КОЕ/г сухого торфа. Выявлена тенденция увеличения численности бактерий этой группы вниз по профилю. Впервые на основе индекса k (безразмерная универсальная характеристика природных прокариотных сообществ) установлено, что в низинных торфяниках этот показатель с глубиной убывает. Выделенные из торфяников бактериальные культуры отнесены к десяти таксонам: Bacillus , Streptomyces , Arthrobacter , Microbacterium , Pseudomonas , Flavobacterium , Dyadobacter , Janthinobacterium , Pedobacter, Myxobacteriales. В деятельном слое доминируют представители родов Bacillus и Streptomyces , в остальной части профиля - Pseudomonas , Dyadobacter и Arthrobacter . Описаны функции родов и видов бактерий, которые идентифицированы при помощи молекулярно-биологических методов. Изучение процессов азотфиксации, денитрификации и метаногенеза показало, что бактерии находятся в жизнеспособном состоянии и проявляют свою активность по всему профилю.

В статье представлены результаты анализа особенностей современной радиоэкологической обстановки в лесных (сосняк, ельник, березняк) и залежных экосистемах на загрязненных территориях Калужской обл. РФ. Плотность загрязнения почв исследуемого региона природными радионуклидами (²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K) соответствует фоновым уровням, в то время как техногенным (¹³⁷Cs) значительно превышает фоновый  показатель (3 кБк/м2) и колеблется от 60,8 до 273,8 кБк/м2. В наибольшей степени  ¹³⁷Cs загрязнены лесные (особенно хвойные) экосистемы, в наименьшей — залежные.  По сравнению с начальным периодом после выпадений (1986 г.) плотность загрязнения  почв ¹³⁷Cs в среднем снизилась более чем в три раза, однако в настоящее время по-прежнему значимо превышает допустимый уровень (37 кБк/м2). В экосистемах загрязненных территорий основной вклад в суммарную удельную активность почв, а также мощность эквивалентной поглощенной дозы вносит ¹³⁷Cs, на фоновых — ⁴⁰К.

Методами рентгенофлюоресцентного, электронно-микроскопического, седиментационного анализов и лазерной дифрактометрии изучен состав донных отложений в приустьевой части р. Симми, малого притока Амура (заповедник «Болоньский», Хабаровский край, Россия). Установлено, что образование лабильных компонентов донных отложений здесь (вивианит-глинистые микроагрегаты, микрокристаллы гипса, мезокристаллы ватерита) связано с влиянием пирогенного фактора в ее бассейне и уровенного режима главной реки. Причина подвижности образований—их малый размер (< 100 мкм). Показано, что и отложения в целом формируются преимущественно взвешенными наносами (размер частиц <100 мкм), что соответствует озерно-аллювиальному генезису территории. Выявлены два механизма образования вивианита в донных отложениях при повышенном содержании фосфат-ионов в воде после пожаров. Образование вивианита происходит на поверхности железисто-глинистых микроагрегатов за счет восстановления Fe(III) в присутствии органического вещества и на биологических темплатах (органические остатки, одноклеточные микроорганизмы).

В почвах, развивающихся в пределах монолитной почвенно-геохимической катены, изучен состав водорастворимых макро-, микроэлементов и анионов. Показано, что по мере возрастания гидроморфизма от элювиальных к аккумулятивным ландшафтам закономерно увеличивается содержание углерода и азота. Характер распределения водорастворимых форм макро$ и микроэлементов обусловлен и аккумулятивными процессами и особенностями элювиально-иллювиальной дифференциации почв. В краевых частях водораздельной депрессии сочетание элювиально-иллювиальной дифференциации и интенсивного латерального выноса в весенний период объясняет максимальную выщелоченность верхних горизонтов. Использование кластерного анализа подтверждает взаимосвязь в системе геохимической катены генетической принадлежности и положения почвы с составом водных вытяжек.

Почва является основой продовольственных систем всех уровней. Сохранение экологических функций почвенного покрова, его состояние на территориях, вводимых в сельскохозяйственное использование или выводимых из него, определяют степень и время наступления экологических рисков, а также рисков и угроз обеспечению продовольственной безопасности.

Общемировое значение и стоимость почвенных ресурсов возрастают. Россия имеет максимальную площадь почвенного покрова — примерно 14,5 млн кв. км, т.е. одну шестую часть планетарного. Почвы как уникальное национальное богатство и стратегический ресурс — недооценены. Объем применяемых агрохимических средств не достаточен для воспроизводства плодородия.

Достижение показателей продовольственной безопасности в стране и экспорт продовольственных товаров происходят за счет невосполняемых расходов резервов плодородия почв. Отсутствуют государственные документы, которые бы четко и однозначно определяли, сколько пахотных земель и сельскохозяйственных угодий нужно для ведения современного агропроизводства и выполнения задач устойчивого развития и где они расположены.

В лабораторных условиях на агродерново-подзолистой супесчаной почве (Epialbic Retisol) проведена оценка разложения глифосата с образованием аминометилфосфоновой кислоты (АМФК) и его влияния на общее обилие бактерий и грибов, а также рассчитано число копий генов, кодирующих ферменты C-P-лиазу a-протеобактерий ( phnJ ), кислую и щелочную фосфатазы ( phoC и phoD ) и Fe-белок нитрогеназы ( nifH ). Показано, что при внесении глифосата в рекомендуемых дозах (5-10 мг/кг) через 14 сут в почве обнаруживается 5-7% гербицида от внесенного, однако при повышении дозы до 100 мг/кг этот показатель возрастает до 23%. Замедление скорости деградации гербицида проявляется только в первую неделю инкубирования и сопровождается снижением числа копий генов phoC , phoD, nifH и возрастанием обилия грибов. Полученные результаты указывают на преимущественную деградацию глифосата с разрывом C-P-связи и образованием фосфатов, а также на возможное ингибирование процесса азотфиксации. Показано, что при дозе внесения глифосата 100 мг/кг может происходить накопление АМФК - первого метаболита при деградации гербицида с разрывом C-N-связи. Биотестирование с использованием пшеницы показало, что при такой дозе наблюдается угнетение развития растений: длина корней и биомасса побегов снижаются на 60 и 20% по сравнению с контролем соответственно. На основании полученных данных предложено в качестве индикаторов преимущественного разложения глифосата по саркозиновому пути использовать показатель снижения содержания копий гена phoC и рост копий участков ITS рРНК. Индикатором возможности аккумуляции АМФК при деградации глифосата может служить снижение копий участков гена ITS рРНК на 40% и более.

Изучение в лаборатории твердой фазы засоленных торфов методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) показало наличие в ней галогенорганических соединений. Хлорорганические соединения обнаружены в трети образцов торфа, при этом их доля невелика - 14-15% от валового содержания хлора. Напротив, броморганические соединения встречаются чаще и их доля выше - 12-23% от валового содержания брома. Относительно слабое развитие галогенизации органического вещества засоленных торфяников объясняется восстановительными условиями, препятствующими синтезу галогенорганических соединений. Рентгенодифрактометрический анализ (РДА) золы засоленных торфов выявил четыре главных минерала: галит, кварц, кальцит и гипс. В низкозольных торфяниках галит абсолютно доминирует. РДА подтверждает засоленность торфов и дает количественное содержание трех минералов: галита, кварца и кальцита. Но при анализе золы торфов возможны ошибки как за счет новообразования минералов (гипс), так и за счет неполной идентификации числа фаз в золе. Второй тип ошибок можно исправить, используя данные о содержании хлора в золе торфа методом рентгенофлуоресцентного анализа. При характеристике загрязнения торфяников, помимо построения профилей распределения солей в растворе, необходимо определять количество и состав галогенорганических соединений, часть которых обладает гербицидными свойствами.

Проанализирован процесс естественной ремедиации рекультивированных 14-16 лет назад нефтезагрязненных и солезагрязненных верховых болот ХМАО - Югры. В целом восстановление покрытия растительностью протекает успешно, хотя высеянные при рекультивации мезофитные травы почти полностью выпали из травостоя. На солезагрязненных участках наблюдается постепенное рассоление торфяной почвы, сопровождаемое сукцессионной сменой галофитной (гемигалофитной) растительности сообществами с доминированием Calamagrostis epigeios, Eriophorum angustifolium, Phragmites australis и участием сфагновых и зеленых мхов, а также печеночников. Характерной особенностью этих местообитаний служит поселение ряда редких охраняемых видов ( Heterogemma laxa, Thelypteris palustris, Triglochin maritimum ). На нефтезагрязненных болотах в ходе восстановления растительности часто происходит поступление углеводородов из нижележащих горизонтов торфяной почвы с образованием поверхностной корки. При этом на смену травяно-осоково-пушицевым и другим сообществам приходят травостои и з Eriophorum angustifolium и некоторых других видов с мощными корневыми системами. Определенную роль в зарастании покрытых коркой поверхностей играют также мхи ( Sphagnum riparium, Warnstorfia fluitans и др.). Неудачное восстановление свойственно мочажинам с затрудненным стоком в случае солезагрязненных болот и наиболее дренированным сегментам - в случае нефтезагрязненных.

Осадки сточных вод, внесенные 28 лет назад в дерново-подзолистые супесчаные почвы, определяют повышенное содержание и подвижность соединений Zn, Cd, Cu и Ni; в наибольшей степени это характерно для Cd и Zn. Наиболее загрязнены пахотные горизонты, что свидетельствует о низкой скорости миграции соединений тяжелых металлов. Последние незначительно вымываются из почв с внутрипочвенным стоком. Это определяется их химическими свойствами: низкой растворимостью их соединений, адсорбцией минеральными и органическими компонентами почв, а также нейтральными значениями рН самих почв. Растения, выросшие на загрязненных почвах, характеризуются повышенным содержанием тяжелых металлов, которое различается в пять-семь раз в зависимости от вида растений и их способности к накоплению последних.

Дана генетическая характеристика иллювиально-железистых подзолов, сформированных на озе, сложенном крупно- и среднезернистыми песками с гравием, галькой и валунами. Выявлены отличия их строения и некоторых свойств от иллювиально-железистых подзолов, развитых на песчаных моренах в тех же биоклиматических условиях. Эти отличия носят количественный характер и вызваны спецификой литологии пород и рельефа оза. При изучении почвообразования обычно используемое описание флювиогляциальных отложений без их дифференциации на внутриледниковые отложения, образующие озы, и перигляциальные отложения, сформированные за пределами ледника, недостаточно в связи с их различиями в формах рельефа и слагающих их породах.

Изучены особенности динамики морфологии и химических свойств лесной под  стилки в ходе постагрогенного лесовосстановления пашни в подзоне южной тайги.  Показана связь динамики строения подстилки с флористическим составом и эколого-ценотической структурой напочвенного покрова. Установлено увеличение запасов,  а также разнообразие строения и степени пространственного варьирования основных  морфологических показателей подстилки по мере возобновления древостоя. Подкисление и уменьшение ее зольности, снижение доли легкоразлагаемых фракций адекватно отражается на составе напочвенного покрова, в котором возрастает роль видов,  приспособленных к повышенной кислотности и низкому содержанию в субстрате элементов питания. После выхода ели в первый ярус пространственное распределение строения, запасов, мощности и фракционного состава подстилки определяется положением в тессере. В целом ход сукцессии, а также динамика морфологии и химических  свойств подстилки указывают на уменьшение скорости круговорота в биогеоценозе.  Экологические шкалы Элленберга, Ландольта, Цыганова и Раменского применительно к напочвенному покрову могут служить важным инструментом при анализе динамики лесной подстилки в лесных экосистемах.

Впервые методом высокопроизводительного секвенирования гена 16S рРНК изучено соотношение крупных таксонов и родовой спектр бактерий в бактериальных сообществах ризосферной почвы под растениями верховых болот. Установлено доминирование ацидобактерий и альфа-протеобактерий при низком содержании других таксонов (< 10%). Среди обнаруженных родов бактерий преобладают представители филумов Acidobacteria и Actinobacteria, а также класса Alphaproteobacteria филума Proteobacteria. Выявлены общие роды бактерий в ризосферной почве под растениями и в поверхностных слоях верхового торфа. Представители большинства родов адаптированы к росту в кислой среде и при низких температурах, использованию сахаров, полисахаридов, ароматических соединений, органических и аминокислот. Широко представленные в бактериальных сообществах бактерии родов Cytophaga и Acidothermus способны к деструкции целлюлозы, рода Occallatibacter - хитина, рода Nocardia - гумусовых веществ и лигнина.

Обсуждаются некоторые аспекты применения имитационного моделирования поведения радионуклидов в пищевых цепях наземных экосистем. Описана модель поведения ¹³⁷Cs в системе типа почва-растительность-травоядные животные-хищники. Представлены результаты моделирования, в том числе расчет динамики дозовой нагрузки на животных. Показано, что при упрощенном, «чернобыльском», сценарии развития радиологической ситуации дозовые нагрузки на травоядных животных существенно ниже, чем на хищников. В целом у животных в первые 10 лет основной вклад в дозовую нагрузку вносит внешнее облучение, затем внешняя и внутренняя дозовые нагрузки становятся примерно равными.