Введение к работе
Актуальность диссертационного исследования. Новая концепция устойчивого нелинейного развития биосферы в землепользовании, в частности, биогеохимии агрофитоценозов, предполагает переход от качественных к количественным критериям. В этом контексте особое значение приобретает разработка количественных критериев описания почвенно-биогеохимических свойств геосистем, связанных с миграцией веществ между компонентами географической оболочки (В.В. Добровольский, 2003). Ключевой проблемой становится учет влияния рельефа на свойства и структуру ландшафтов для изучения влияния их загрязнений на водосбор в бассейнах рек (Карлович И.А., Федоров С.Г., 2009), разработка проектов адаптивно-ландшафтных систем земледелия. (В.И. Кирюшин, А.Л. Иванов, 2004, А.Т. Волощук, 2004), решение проблем точного земледелия (Н.А. Лопачев, 2008) и оценка распространения экотоксикантов в окружающей среде (Н.А. Клюев и др., 2003, В.Г. Горский, В.А. Петрунин и др., 2002), а также решение на этой базе прикладных военно–технических задач (С.П. Присяжнюк, В.Н.Филатов, И.Н. Степанов, 2008). Решение этой проблемы предполагает развитие представлений об устойчивости экосистем и ландшафтов как способности в условиях возмущающих воздействий сохранять структуру и саморегулирующее функционирование (В.В. Снакин, 1992, Фокин А.Д., 1995). Эти эмпирические представления об устойчивости ландшафтов, как и качественные представления В.М. Фридланда (1972) о неаддитивности почвенных систем необходимо переводить на количественный уровень.
Объектом исследования являются локальные плоские и локальные криволинейные почвенные системы (ландшафтные катены), локальный и региональные водосборный бассейны.
Предметом исследования выступают тенденции изменения биогеохимических параметров геосистем при техногенном воздействии и тенденции в изменении макроскопических параметров, характеризующих экологическое состояние локального и регионального водосборного бассейна.
Цель исследования. Обосновать возможности использования фундаментальных представлений для описания устойчивости экосистем и ландшафтов, а также возможности выявления с использованием картографических моделей биогеохимических профилей почвенной системы для решения проблемы управления ландшафтами при экспериментальных и полевых исследованиях.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- составить впервые для агрофитоценозов Владимирской области крупномасштабную (М 1:10 000) карту обзорных свойств местности (КОСМ), все почвенные показатели которой выражены числами, привязанными к структурам КОСМ, выполняющим роль нелинейной системы отсчета (системы координат);
- исследовать возможность описания откликов минерального техногенного воздействия на почвенную геосистему для разработки биогеохимической модели ее устойчивости;
- разработать биогеохимическую модель устойчивости почвенной системы, которая выявляет более тонкие особенности биогеохимических свойств и процессов, применить ее для определения биогеохимических параметров элементарных ареалов ландшафтов и сравнить результаты применения на примере плоских почвенных тел и локальных ландшафтных катен;
- используя принцип сопряжения ландшафтов, перейти от локальных ландшафтных катен к более сложным геохимическим системам – бассейну рек Каменка и Мжара, бассейну рек Клязьма и Ока и оценить загрязнения этих территорий экотоксикантами.
Основные положения, выносимые на защиту
- в качестве важнейших скрытых параметров, отражающих изменения внутренних тенденций элементарных ареалов ландшафта, могут быть выбраны параметры нитрификации, связанные с естественной генерацией нитратов и определяющие продуктивность почвенного покрова;
- для определения кинетических параметров элементарных ареалов ландшафта не может использоваться фиксированное астрономическое время;
- кинетика нитрификации почвенных систем может быть описана в рамках модели Ферхюльста, отражающей популяционные изменения в биологических системах;
- нитрификация как биогеохимический процесс обладает триггерным характером, т.е. возможно «переключение» биогенных процессов: генерации и поглощения нитратов;
- биогеохимические (нитрификационные) параметры элементарных ареалов ландшафта плоских почвенных геосистем при минеральном техногенном воздействии могут быть описаны в рамках фундаментальных геохимических представлений;
- на техногенное воздействие, приводящее к варьированию нитратов – главному фактору повышения продуктивности локальной плоской почвенной системы, следует биогенный ответ – скорректированное изменение интенсивности нитрификационого процесса, т.е. между техногенным воздействием и биогенным ответом на него существует управление по принципу отрицательной обратной связи. Это неаддитивное фундаментальное свойство почвенного покрова определяет его устойчивость, снижающее потерю минерального азота из педосферы в тропосферу и грунтовые воды;
- биогеохимические параметры элементарных ареалов ландшафта криволинейных почвенных геосистем при техногенном воздействии обнаруживают волнообразный характер и подчиняются закономерностям нелинейной симметрии, что невозможно отобразить на плоских ареалах традиционных почвенных карт;
- асимметричное полостное техногенное воздействие может приводить к изменению оси симметрии биогеохимического профиля по криволинейному контуру криволинейного почвенного тела, т.е. другому дискретному состоянию гесистемы;
- протяженное полосное техногенное воздействие на криволинейную почвенную геосистему симметричное и асимметричное приводит к эффектам выравнивания по кривизне в рамках закономерностей нелинейной симметрии;
- параметры ландшафтной катены не могут быть сведены к параметрам локальной плоской почвенной системы путем введения поправочных табулированных коэффициентов.
Научная новизна. Впервые предлагается новая методология оценки влияния рельефа на важнейшие параметры почвенных геосистем. Методология заключается в том, что в системе землепользования в почвенные модели стали включать количественные параметры. К этим параметрам привязываются все опытные данные, полученные нами при полевых многолетних исследованиях агрофитоценозов на стационарах Владимирского ополья. В результате получены:
- принципиально новые результаты, позволяющие развить новые представления о поведении почвенных геосистем при техногенном воздействии;
- разработана биогеохимическая модель устойчивости почвенных систем на основе изучения кинетики нитрификации по ее элементарным ареалам ландшафтов;
- доказана принципиальная невозможность переноса параметров для элементарных ареалов ландшафтов (ЭАЛ) плоских почвенных геосистем на криволинейные ЭАЛ;
- установлены количественные связи между биогеохимическими параметрами криволинейной почвенной геосистемы при симметричном и асимметричном минеральном техногенном воздействии;
- установлено, что геохимическая система, в пределах которой размещены сельскохозяйственные ландшафты локального бассейна рек Каменка – Мжара, не оказывает негативного экологического воздействия на створ бассейна, в котором расположен г. Суздаль.
Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в развитии теоретических положений об устойчивости геосистем, сопряжении их с биогеохимическими положениями, позволяющим перейти от качественных к количественным представлениям, включающим такие понятия как дискретно – волнообразный характер геосистем, подчинение их свойств закономерностям нелинейной симметрии. Это составляет новый концептуальный подход к биогеохимической параметризации ландшафтов.
Практическая значимость работы:
1.На основе разработанной модели устойчивости решаются на практике в конкретных хозяйствах на больших площадях (Владимирский НИИСХ, Орловский уч. хоз.) задачи оптимизации таких важнейших параметров как продуктивность, воспроизводство плодородия. Внедрение полученных результатов в практику осуществлено в форме методических рекомендаций.
2.Разработанная нами кинетическая модель устойчивости использована во Владимирском государственном университете и Владимирском государственном гуманитарном университете для системных оценок влияния на почвенные геосистемы различных химических загрязнителей.
3.Результаты оценки экологического состояния бассейна рек Каменка и Мжара использованы в мероприятиях по очистке русла реки Каменка и организации государственного регионального заказника «Ильинский луг».
4.Результаты обследования загрязнений Владимирской области диоксинами, диоксиноподобными токсикантами и полиароматическими углеводородами как типичными для регионов Европейской части РФ использованы в мероприятиях федеральных и областных природоохранных структур администрации, направленных на предотвращение сжигания хлорсодержащих органических отходов, и учтены при обращении бытовых отходов. Эта практика широко использовалась и в деятельности общественных организаций, а после доклада на международной экологической конференции "Д ни Волги" вышла за пределы Центрального региона России. Она находит применение и в планировании мероприятий ГО и ЧС при координации совместных учений формирований Гражданской обороны, и пожарных подразделений МВД, направленных на отработку навыков тушения пожаров, осложненных эмиссией диоксинов.
5.Карты обзорных свойств местности (КОСМ) успешно использованы в мероприятиях повышения устойчивости сельскохозяйственных ландшафтов на примере восстановления древних дубрав Владимирского ополья. Благодаря этому выбраны участки почв с оптимальными условиями, что способствовало быстрому росту саженцев в дубравах.
6.Материалы диссертации использованы при подготовке доклада на слушаниях в Комитете Совета Федерации Федерального собрания РФ по природным ресурсам и охране окружающей среды 27 марта 2008 г.
Обоснованность и достоверность диссертационного исследования заключается в том, что работа экспериментальная, она заканчивается теоретическими обобщениями. Экспериментальные и опытные работы проводились в течение 20 лет с участием ведущих ученых биологического факультета и факультета почвоведения Московского государственного университета, Московского аграрного университета им. Тимирязева, Владимирского государственного университета, Владимирского государственного гуманитарного университета, Орловского аграрного университета, Института физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук. В работе использованы современные методы анализа, разработанные научно – исследовательскими институтами РАН: Институтом проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова, Институтом физико-химических и биологических проблем почвоведения, аттестованные Госстандартом РФ. Полевые опыты проводились в рамках требований методических рекомендаций Россельхозакадемии. При обработке экспериментального материала широко использовались статистические методы и компьютерные программы.
Личный вклад автора:
1.Автор, как доцент Владимирского государственного университета и руководитель Лаборатории агроландшафтов Владимирского НИИ сельского хозяйства, руководил и непосредственно осуществлял все полевые работы на стационарах Владимирского НИИ с.х.
2.Автор официально координировал выполнение Федеральной целевой программы «Диоксин» во Владимирской области. В его обязанности входила разработка технического задания и частных технических заданий, организация отбора проб в рамках требования Госстандарта РФ, обсуждение результатов, участие в совместных экспериментах и представление отчетов по программе и финансирования.
3. Автор усовершенствовал методику определения нитрифицирующей способности почв до возможностей определения кинетических параметров нитрификации. Непосредственно планировал, проводил эксперименты, обсуждал на научных конференциях полученные результаты и теоретически их обобщил.
4. Автор непосредственно руководил восстановлением дубрав Владимирского ополья как элемента устойчивых культурно – исторических ландшафтов. В его обязанность входила обоснование границ залесения на основе КОСМ, организации работ и их финансирование.
Апробация. Результаты исследований доложены и обсуждены на XIII Симпозиуме по загрязнению окружающей среды хлорорганическими соединениями в Стокгольме (Швеция,1998), на Международной конференции, организованной «Русским салоном» в Стокгольме (Швеция,2009), XI. XII,XIII Международных конференциях «Математика, компьютер, образование» в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна, 2004 г.) и Институте биофизике клетки (РАН) (Пущино, 2005, 2007 гг.), II и III съезде биофизиков России (Москва, 1999 г., Воронеж, 2004 г.), на научной секции «Лаборатории Земли» IV Конгресса Terra madre в Турине (Италия, 2010 г.), III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000 г.), на 10-й Международной конференции МЧС по проблемам защиты населения от чрезвычайных ситуаций (Москва, 2005 г.), на первом междисциплинарном семинаре памяти С.П. Курдюмова (Тверь, 2005 г.), III и VI Международной конференции «Экология речных бассейнов» (Владимир, 2005,2011 гг.), Международной научно-практической конференции «Агрохимические проблемы биологической интенсификации земледелия» (Владимир, 2005 г.), 2-й национальной конференции с международным участием «Организация почвенных систем. Методология и история почвоведения» (Пущино, 2007 г.), национальной конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» (Пущино,2009 г.), III Международной конференции Геоэкологические проблемы современности (Владимир 2010 г.), VII Международной конференции «Геология и цивилизация» (С. Петербург, 2010, 2011 гг.), 10 региональных научно-практических конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ, в том числе их содержание изложено в монографии автора «Эволюция почвенных экосистем: саморегуляция, самоорганизация, стойчивость», журналах «Известия высших учебных заведений: химия и технология», «Успехи современного естествознания», «Нанотехника», в зарубежном журнале Organohalogen Compounds, в 2-х коллективных монографиях под редакцией акад. РАСХН В.И. Кирюшина, акад. РАСХН А.Л. Иванова и под редакцией А.Т. Волощука, из них 9 опубликовано в изданиях рекомендованных ВАК и 25 - в материалах международных конференций.
Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, приложения, 35 табл., 76 рис., 400 ссылок на литературные источники, из них 79 – на зарубежные, изложена на 380 стр.
