Введение к работе
Актуальность исследований. Генезис кислотности обусловлен ионами водорода и алюминия (К.К. Гедройц, 1932; Г. Каппен, 1934; Г. Дайкухара, В.А. Чернов, 1947; С.Н. Алешин, 1951, 1957; В.В. Окорков, 2004). Высокая кислотность почв агроландшафтов негативно влияет на рост и развитие возделываемых культур. Однако в лесных экосистемах очень высокая кислотность создается самой таежной биотой и связана с эффективной мобилизацией в раствор элементов питания. Кислотный механизм адаптации таежной биоты к суровым условиям существования предложен и обоснован И.М. Яшиным, В.А. Черниковым, И.С. Кауричевым (1989, 1996); позднее он подтвержден и дополнен Н.В. Лукиной и В.В. Никоновым для северотаежных ландшафтов РФ (1993, 1995, 1996). Попадающие в экосистемы продукты антропогенеза (частицы пыли и сажи, содержащие ионы тяжелых металлов и иные вещества) также претерпевают трансформацию с участием органических кислот и миграцию (биогенную и водную). Например, ионы тяжелых металлов (ТМ) частично сорбируются на почвенно-геохимических барьерах, поступают в грибы, ягоды и природные воды, загрязняя их. В этой связи мониторинг состояния экосистем становится одним из приоритетных научных направлений. Несмотря на фактический материал, еще недостаточно раскрыта взаимосвязь кислотности почв подзолистого типа тайги с их загрязнением и водной миграцией. Этим вопросам и посвящена настоящая работа.
Цель исследований: провести экологическую оценку кислотности, загрязнения и водной миграции веществ в условиях некоторых лесопарков Москвы и Петрозаводска.
Для достижения цели были поставлены и выполнены следующие задачи:
1. Исследовать сезонную морфологию и свойства подзолов и дерново-подзолов, развитых на двучленах, в лесопарках (на вырубках) Лесной опытной дачи (ЛОД) РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева и Петрозаводска;
2. Изучить динамику масштаба водной миграции ВОВ, их состав и кислотные свойства с помощью метода сорбционных лизиметров; обосновать на этой основе кислотный механизм трансформации почвенных минералов и мобилизацию в раствор химических элементов (в т.ч. ТМ);
3. Усовершенствовать методологию оценки загрязнения таежной экосистемы ионами тяжелых металлов с помощью предложенного автором индекса суммарного загрязнения Jсз (И.М. Яшин, А.А. Петухова с соавт., 2012);
4. Выявить и обосновать движущие силы трансформации гидрогелей Fe(OH)3 в иллювиально-железистых горизонтах подзола и дерново-подзола на двучленах и иccледовать формы миграции соединений Fe, некоторых тяжелых металлов в изучаемых почвах.
Научная новизна исследований. Впервые для разновозрастных сосново-лиственничных фаций ЛОД изучены морфология и свойства дерново-подзолов контактно-глееватых супесчаных, развитых на двучленных отложениях. Установлено наличие в их профилях двух подзолистых горизонтов: верхнего (элювиального Eh) и глубинного на контакте смены пород – элювиально-оглеенного (El’g).
При водной миграции ВОВ через сорбционный (минеральный) барьер – горизонт Вf подзола – установлено достоверное увеличение масс фульвокислот в составе ВОВ, что связано с сорбционным комплексообразованием и формированием здесь молекул фульвокислот (ФК) in situ. Здесь же наблюдается и трансформация гидрогелей Fe(OH)3: образуются устойчивые железо-фульватные комплексные соединения, мигрирующие в профиле без их разрушения.
Уточнено представление о генезисе биогенной кислотности таежной экосистемы на основе полученных сведений о формировании, составе и свойствах ВОВ. Роль ионов Al3+ в кислотности вторична, а молекулы угольной кислоты, как очень слабой, находятся вне конкуренции с более химически активными органическими кислотами и ФК.
Усовершенствована методология оценки загрязнения ионами тяжелых металлов таежной экосистемы (в настоящее время загрязнение оценивается только для одной подсистемы фации – почвы). В фациях лесопарка Петрозаводска, например, ионы ТМ в основном сорбируются на органогенном барьере (в мощном и оторфованном слое лесной подстилки), загрязняя ягоды и грибы. Здесь мониторинг ведется с 2002 г.
Практическая значимость исследований. Впервые для фаций ЛОД выполнена идентификация дерново-подзолов контактно-глееватых, развитых на двучленных отложениях. Последние способствуют активизации сезонного переувлажнения в супесчаном мини подзоле, усилению поверхностного оглеения (и мобилизации ВОВ из опада и лесной подстилки), изменению водного режима из элювиального (промывного) в периодически элювиально-застойный. Эти особенности почв на двучленах следует учитывать при лесовозобновлении и организации лесопитомников.
Уточнена концепция биогенной кислотности, что позволило углубить представление об источниках ионов Н+ в таежной экосистеме. Установлено, что наряду с гумусовыми веществами почв в таежных экосистемах имеется уникальный и динамичный механизм кислотообразования, реализующийся с помощью биогеохимического круговорота соединений углерода. С помощью низкомолекулярных ВОВ происходит эффективные трансформация веществ, мобилизация в раствор химических элементов и их миграция. Информация о формировании ВОВ, их составе и кислотных свойствах позволила расширить понимание процесса таежного гумусообразования. ВОВ способствуют самоочищению почв от загрязнителей и их дальней миграции в ландшафтах.
Усовершенствован индекс суммарного загрязнения Jсз таежной экосистемы. Он позволяет более полно оценить антропогенную нагрузку на фации лесопарка ЛОД (и иные экосистемы).
Уточнена эволюция почвенного покрова на вырубках в подзоне средней тайги (стационар в таежном лесопарке Петрозаводска) в направлении: подзол - подзол глееватый - подзол глеевый – болотно-подзолистая почва.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на заседаниях кафедры экологии в 2010-2013 гг., на научных конференциях РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (секция экологии) в 2011-2013 гг., а также на 6-м съезде ДОП в Петрозаводске (Институт Леса КарНЦ) в августе 2012 г. По результатам исследований опубликовано 6 научных работ и монография, в т.ч. 5 работ в журналах, рекомендуемых ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии и приложения. Изложена на 132 страницах, содержит 30 таблиц, 12 рисунков и фотографий. Фактические материалы получены автором в период 2010-2012 гг. Библиография включает 236 источников литературы, из них 43 на иностранных языках.
