Статьи

В целях экологического мониторинга изучены особенности живого напочвенного покрова и лесных подстилок еловых насаждений в пределах г. Москвы. Использование экологических шкал Ниценко, Раменского, Элленберга и Ландольта позволили установить, что рудерализация напочвенного покрова является результатом последствий рекреации. Независимо от типа ельника отсутствие подлеска обусловливает увеличение освещённости и приводит к увеличению численности видов. Разнообразие экологических ниш является следствием умеренного вытаптывания, которое в большей степени характерно для межкроновых пространств. Повышенный балл трофности по Л.Г. Раменскому обусловлен повышенной засоренностью напочвенного покрова. Показано, что живой напочвенный покров характеризует разнообразие экосистем и уровень антропогенного воздействия на фитоценоз.

Подстилки городских еловых насаждений чувствительны к изменению условий функционирования и могут быть использованы в качестве объектов экологического мониторинга. Доступность изучения подстилок и простота оценки параметров позволяет в экспресс- режиме получать информацию о депонировании органического вещества в условиях антропогенного воздействия разной степени на урбоэкосистемы.

В еловых насаждениях, как условно эталонных, так и нарушенных, в системе тессер ствол-крона-окно закономерно происходит упрощение строения подстилок и снижение общих запасов органического вещества, что можно считать инвариантным процессом. Рекреационная нагрузка приводит к снижению запасов подстилок в 1,5 раза, а также к их перераспределению в пределах тессер в сторону увеличения в подкроновом пространстве до 85% от общего запаса в биогеоценозе и снижении в других зонах.

При выборе точек обследования в пределах насаждений следует признать   приоритетность приствольных и межкроновых пространств как объектов, наиболее чувствительных к изменению внешних условий. Зоны приствольных повышений в силу своего расположения испытывают минимальное влияние рекреации, отражая в большей мере изменения экологических условий функционирования, а для оценки влияния рекреации наиболее показательны зоны межкроновых пространств.

Для экологического мониторинга с точки зрения методических подходов предложены две группы показателей, характеризующих структурно-функциональную организацию подстилок. В параметры, характеризующие структурную организацию подстилок, включены общие запасы подстилок и запасы в подгоризонте L. Параметры, характеризующие особенности функционирования, включают в себя запасы и долю детрита и легкоразрушаемых компонентов, соотношение мощности и запасов подгоризонта L по отношению к подгоризонту F. Особенности долговременного пространственного функционирования характеризуются типологией подстилок в системе тессер: ствол-крона-окно.

Проанализированы закономерности пространственной и временной изменчивости нормализированного относительного вегетационного индекса в окрестностях источника поступления в окружающую среду тяжелых металлов в зависимости от их концентрации в почвах. Анализом особых точек теоретического уравнения зависимости концентрации фотосинтетически активной биомассы от результирующей концентрации поллютантов в почве выявлена предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почве. Результаты ее определения в условиях, характерных для северной лесостепи при текущем уровне антропогенной нагрузки, по материалам MODIS составили 12,3, по Sentinel-2–12,5 мг/кг соответственно. Предложен способ обобщения макрокинетических закономерностей отклика живого на антропогенное воздействие. Результаты оценки экологических рисков показали, что вероятность превышения пороговой концентрации, установленной при обобщении макрокинетических закономерностей отклика на воздействие, составляет 74%.

На основе принятой в природоохранной практике пятиуровневой шкалы качества почвы и показателя ее состояния провели ранжирование качества почв и растительного покрова в окрестностях горно-обогатительного комбината (ГОКа). Ареалы одинаковой устойчивости почв и растительного покрова к действию загрязняющих веществ в зоне воздействия ГОКа нанесены на топографическую основу. В окрестностях ГОКа преобладают территории, относящиеся к I и II категориям качества почв, то есть характеризующиеся фоновым и переходным состоянием. Выделена природно-защитная зона предприятия и определены фоновые территории.

В статье рассматриваются процессы перехода в водную фазу и поглощения из нее растениями стабильных (Cd) и радиоактивного (¹⁰⁹Cd) изотопов. С помощью последовательного фракционирования по методу Тесье-Форстнера выявлены закономерности распределения Cd/¹⁰⁹Cd между различными формами их химических соединений в почве. Показано, что содержание подвижных и условно подвижных форм соединений стабильного Cd (фракции F1-F3) было в 1,2–1,8 раза меньше, чем радиоактивного ¹⁰⁹Cd. Однако для неподвижных консервативных форм соединений металла (фракции F4-F6) это соотношение было, наоборот, в 2,4–5,3 раза больше. Оценены концентрация Cd, удельная активность ¹⁰⁹Cd, коэффициенты распределения и концентрирования природного Cd и радионуклида ¹⁰⁹Cd, накопление и вынос металла растениями. Определены величины коэффициентов обогащения природного (стабильного) Cd, содержащегося в последовательно извлекаемых химических фракциях, радиоизотопом ¹⁰⁹Cd, рассчитана величина запаса подвижных соединений Cd (¹⁰⁹Cd) в исследуемой почве. По результатам спектроскопии ЯМР твердого тела на ядрах ¹³C установлен качественный состав высокомолекулярных органических соединений почвенного раствора и оценена их способность к специфической сорбции катионов тяжелых металлов, включая Cd.

Почвы западного макросклона Баргузинского хребта имеют четкую высотную поясность. В нижней части трансект-катены преобладают дерново-подбуры, буроземы, тогда как на высотах встречаются литоземы, почвы перегнойно-темногумусовые и подбуры грубогумусовые. Характерными особенностями всех типов почв являются небольшая мощность почвенного профиля, грубогумусность, кислая реакция среды, регрессионно-аккумулятивный характер распределения общего углерода и азота по профилю, низкая или очень низкая (отношение C/N — от 11 до 40) обогащенность органического вещества азотом. Значения δ¹³С варьируют от –28,45 до 22,10‰, с утяжелением вниз по профилю. С увеличением высоты значения δ¹³С в гумусовых горизонтах находятся в пределах от –26,82 (500 м н.у.м) до –22,66‰ (1700 м н.у.м), возможно, из-за снижения среднегодовой температуры воздуха. В отличие от δ¹³С, значения δ¹⁵N в гумусовых горизонтах почвенных профилей уменьшаются с 10,04‰ на высоте 500 м н.у.м. до 8,77‰ на высоте 1700 м н.у.м., указывая на то, что при низких среднегодовых температурах воздуха цикл азота более замкнутый. Соотношение среднегодовой температуры воздуха и значений изотопного состава позволяет сделать вывод, что при снижении на 1ºС значения δ¹³С в подстилке будут уменьшаться на 0,89‰, а в верхнем минеральном горизонте — на 0,67‰. 

С использованием метода масс-спектрометрии стабильных изотопов углерода и азота впервые охарактеризованы особенности изотопного состава сапротрофных и микоризных грибов-макромицетов, произрастающих на олиготрофном верховом болоте. С применением молекулярно-генетических методов получены первые данные о присутствии свободнорастущего мицелия грибов, образующих микоризу экто- и арбускулярного типов на безлесных территориях верхового болота. Показано, что изотопный состав плодовых тел микоризных и сапротрофных грибов верхового болота различается незначительно. Плодовые тела сапротрофных грибов, растущих на поверхности мохового покрова, были обогащены ¹³С, но не ¹⁵N по сравнению со сфагнумом. Различия в изотопном составе отдельных частей плодовых тел макромицетов (ткани гименофора, ножки) при произрастании на верховом болоте практически отсутствуют. Мицелий микоризных грибов верхового болота обогащен ¹⁵N по сравнению с тканями растений-хозяев от 1,4 до 9,5‰, что значительно превышает аналогичные значения, показанные ранее для лесных экосистем.

Проведен анализ изотопного состава растительности и органического вещества буроземов мерзлотных юга Витимского плоскогорья. Профиль почв характеризуется ярко выраженным неравномерным распределением углерода. Основная часть запасов углерода сосредоточена в гумусово-аккумулятивном горизонте, вниз по профилю — значительно ниже. Растительность на буроземах относятся к С-3 типу фотосинтеза. У бобовых, разнотравья и полукустарниковых надземные части несколько обеднены изотопом ¹³С по сравнению с подземными. У деревьев содержание ¹³C в ветках, хвое и листьях различается незначительно. Изотопный состав углерода верхних горизонтов почв зависит от типа фитоценоза и имеет близкие значения к δ¹³С доминирующих растений. С глубиной фракционирование изотопов углерода показывает четкую вертикальную дифференциацию по почвенному профилю. Углерод гуминовых кислот почв из гумусово-аккумулятивного горизонта и из криогенных трещин слабо различается по изотопному составу. Состав стабильных изотопов углерода ГК по профилю почвы остается примерно на одинаковом уровне. Такие данные свидетельствуют о сходстве процессов формирования ГК в верхних слоях почв и в гумусовых карманах.

Исследован изотопный состав углерода в разных пулах органического вещества (ОВ) типичного чернозема Центрально-Черноземного государственного биосферного заповедника «Стрелецкая степь», выделенных методом грануло-денсиметрического фракционирования почвы. Изотопный анализ ОВ разных пулов позволил подтвердить последовательность разложения ОВ в почвах, которое следует континууму от свежих и частично разложенных растительных остатков в дискретном ОВ до значительно/полностью переработанных — в органо-минеральных фракциях. Это находит отражение в «утяжелении» изотопной сигнатуры при переходе от дискретного ОВ к минерально-ассоциированному. Все исследованные пулы ОВ подвергаются микробной переработке, но в разной степени. Свободное ОВ, несмотря на то, что состоит из хорошо узнаваемого растительного материала, не всегда является самым свежим и неразложившимся органическим материалом. Более «легкая» изотопная сигнатура агрегированного ОВ по сравнению со свободным ОВ, несмотря на свою очевидную бóльшую степень микробной переработки, может быть следствием его физической защиты в микроагрегатах, неустойчивых в ультразвуковом поле, внутри структурных отдельностей почвы. Наиболее микробно переработан минерально-ассоциированный органический материал — илистая фракция и фракция Остаток, характеризующийся наиболее тяжелой изотопной сигнатурой. Изотопный состав углерода почвы в целом определяется преимущественно фракцией Остаток, количественно доминирующей в почве. Концептуальная схема демонстрирует, что основные потоки C в пулах ОВ идут из ЛФ_СВ к фракции Остаток через неустойчивые в ультразвуковом поле микроагрегаты почвы. Наиболее вероятные источники потока С в почву — неустойчивые в ультразвуковом поле микроагрегаты и фракция Остаток, которые характеризуются наименьшими величинами Δ¹³C (разница величины Δ¹³C «источника» и «продукта»).

Изучено валовое содержание свинца, содержание его кислоторастворимых и подвижных форм соединений в серо-гумусовых почвах (Rendzic Leptosols) зоны воздействия Череповецкого металлургического комбината (Вологодская обл.). Определен изотопный состав свинца указанных его форм соединений. Показано, что свинец, входя в состав газопылевых выбросов предприятия, обнаруживается в повышенных количествах вплоть до 6–10 км в исследованном нами северном направлении от источника загрязнения. Наблюдается проникновение техногенных соединений свинца вниз по профилю почв вплоть до горизонта B. Изученные нами изотопные отношения свинца ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb/²⁰⁶Pb и ²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb обнаруживают четкие зависимости от содержания свинца в почвах. Для всех отношений в ряду «валовой свинец < кислоторастворимый свинец < подвижный свинец» возрастает вклад техногенных соединений свинца в его изотопный состав, так как в этом же ряду происходит увеличение доли техногенных соединений свинца от его общего количества. Экстраполяция зависимости отношения ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb от содержания свинца в область низких содержаний дает величину данного отношения в интервале 1,19–1,25, что соответствует изотопному составу валового свинца фоновых почв Европейской части России. В почвах вблизи ЧерМК это отношение уменьшается до 1,10, что соответствует многочисленным литературным данным. Выбор изотопного отношения имеет решающее значение для получения более детальной информации о характере и источниках техногенного загрязнения почв свинцом. Так, в почвах с низким содержанием свинца по величинам изотопного отношения ²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb выделяется свинец, связанный с другим источником загрязнения, предположительно с городской ТЭЦ, работающей на каменном угле.

В период с 1978 по 2021 г. изучались параметры миграции и динамика распределения ¹³⁷Cs в пахотных и целинных почвах Тульской области. Выявлены идентичные закономерности распределения ¹³⁷Cs глобальных и аварийных чернобыльских выпадений в почвенном профиле выщелоченных черноземов. На пахотных угодьях проведение агротехнических мероприятий способствует равномерному распределению ¹³⁷Cs в пахотном слое почв. В ненарушенных почвенных горизонтах черноземных почв луговых фитоценозов наиболее активно процессы перераспределения радионуклидов в поверхностных слоях наблюдались в первый 10-летний период после выпадения, что способствовало выравниванию запасов ¹³⁷Cs в слоях 0–2 и 2–5 см и возрастанию их содержания в слое 5–10 см до более чем 30% к началу 2000 г. В настоящее время более 75% запаса ¹³⁷Cs в целинных черноземных почвах Тульской области сосредоточено в верхнем 15-см слое, а глубина проникновения радионуклидов достигает 40–45 см. 

В период с 1978 по 2021 г. изучались параметры миграции и динамика распределения ¹³⁷Cs в пахотных и целинных почвах Тульской области. Выявлены идентичные закономерности распределения ¹³⁷Cs глобальных и аварийных чернобыльских выпадений в почвенном профиле выщелоченных черноземов. На пахотных угодьях проведение агротехнических мероприятий способствует равномерному распределению ¹³⁷Cs в пахотном слое почв. В ненарушенных почвенных горизонтах черноземных почв луговых фитоценозов наиболее активно процессы перераспределения радионуклидов в поверхностных слоях наблюдались в первый 10-летний период после выпадения, что способствовало выравниванию запасов ¹³⁷Cs в слоях 0–2 и 2–5 см и возрастанию их содержания в слое 5–10 см до более чем 30% к началу 2000 г. В настоящее время более 75% запаса ¹³⁷Cs в целинных черноземных почвах Тульской области сосредоточено в верхнем 15-см слое, а глубина проникновения радионуклидов достигает 40–45 см. 

Исследование было проведено с целью выявления особенностей поведения ¹³⁷Cs и К в системе «почва-растение» в агроценозах и природном луговом биогеоценозе черноземной зоны в отдаленный период после чернобыльских выпадений. В центральной части Плавского радиоактивного пятна Тульской области были выбраны площадки опробования в агроценозах с пшеницей, соей, гречихой, рапсом, подсолнечником, злаково-бобовой травосмесью, а также в естественном биогеоценозе суходольного луга. Установлено, что средний уровень радиоактивного загрязнения почв территории ¹³⁷Cs составил 171 ± 26 кБк/м² (498 ± 100 Бк/кг); среднее содержание валового К — 2,0 ± 0,1%, в том числе К_обм — 235 ± 54 мг/кг, К_необм — 816 ± 116 мг/кг. Профильное распределение ¹³⁷Cs в пределах загрязненного 30-см поверхностного слоя агроценозов, а также К_вал во всех почвах было равномерно-аккумулятивным, в то время как распределение К_обм и К_необм носило регрессивно-аккумулятивный характер; при этом микрораспределение ¹³⁷Cs в корнеобитаемой зоне было инвариантным, а для подвижных форм калия показано градиентное обогащение почвы вблизи поверхности корней. Интенсивность перехода ¹³⁷Cs из почв в растения для всех исследованных культур на 1–2 порядка уступала интенсивности корневого потребления растениями К. Различались и особенности распределения элементов между органами растений, причем для ¹³⁷Cs оно было акропетальным для представителей сем. Злаковые и базипетальным для культур из других семейств, а К распределялся базипетально во всех опробованных растениях.