Критические нагрузки подкисляющих соединений на наземные экосистемы Азиатской части России Семенов, Михаил Юрьевич

Введение к работе

Актуальность. С возрастанием эмиссии соединений азота и серы в атмосферу возникает необходимость количественной оценки устойчивости различных экосистем к подкислению, за меру которой используется критическая нагрузка по кислотности, т.е. максимальное количество подкисляющих соединений, не вызывающее в течение длительного периода химических изменений, сопровождающихся вредным воздействием на экосистему (Nilsson, Grennfelt, 1988).

В течение последних десяти лет неоднократно предпринимались попытки. качественно (Glazovskaya, 1991; Глазовская, 1997) и количественно (Bashkin et al., 1995, 1996а, 1996b) оценить устойчивость наземных экосистем Азиатской части России к подкислению, однако в последнем случае исходная информация для оценок добывалась методом «экспертных» заключений, основанных на обобщении разрозненных литературных данных о факторах устойчивости экосистем к подкислению и личном опыте исследователей. В этих работах отсутствует картографический материал, отражающий пространственную дифференциацию основных характеристик экосистем, обусловливающих их устойчивость и, соответственно, служащих составляющими критической нагрузки. Кроме того, до сих пор нет общей карты критических нагрузок для всей территории Сибири и Дальнего Востока. Использование же биогеохимической модели PROFILE позволяет на основе общепринятых международных методик с использованием максимально возможного числа почвенных, биологических и биоклиматических параметров количественно оценить отдельные характеристики почв и экосистем, ответственные за противодействие процессу подкисления и связанных с ним неблагоприятных эффектов, и получить данные для расчета критических нагрузок по кислотности.

Основной целью исследования являлась оценка устойчивости почв и экосистем Азиатской части России к кислотным нагрузкам.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи: проанализировать по литературным источникам современное состояние проблемы; собрать данные, характеризующие основные параметры биологического круговорота, химического состава почв и почвенного раствора, физических свойств почв, химического состава атмосферных выпадений, а также сведения о биоклиматических условиях функционирования экосистем; рассчитать кислотонейтрализующую способность почвенного раствора, минералогический состав почв анализируемых экосистем и показатели внутрипоч-венного выветривания физиологически активных катионов (Са^г+, Мд²*, К⁺); рассчитать критические нагрузки подкисляющих соединений на экосистемы; подготовить картографическую основу для последующей оценки пространственного распределения критических нагрузок подкисляющих соединений и параметров, необходимых для их расчета; составить карты распределения кислотных, основных и результирующих (кислотные минус основные) атмосферных выпадений, величин внутрипочвенного выветривания физиологически активных катионов и критических нагрузок на экосистемы.

Исходные материалы. Для выполнения этих задач использовались литературные данные, отражающие сведения о; 1) биоклиматических условиях, в которых функционируют анализируемые экосистемы (среднегодовые количество осадков и температура почвы); 2) биогеоценотических характеристиках

-I

экосистем (распределение корневой массы растений по профилю почвы, ве

личины ежегодного возврата элементов питания с опадом); 3) химическом со

ставе почв и почвенных растворов (содержание органического углерода в ли

зиметрических водах, отношение содержаний С0₂ в почвенном и атмосфер

ном воздухе, валовой состав минеральной части); 4) физических свойства)

почвы (плотность, объемное содержание воды, гранулометрический состав)

5) гидрологических показателях условий вертикальной миграции вещества

(количество просачивающейся из горизонта в горизонт гравитационной впап

и общий сток из толщи корнеобитаемого слоя с учетом испарения и транспи

рации) и 6) количественном и качественном составе атмосферных выпадений

Объекты и методы. Объектами исследования в работе служили лес

ные и тундровые экосистемы Азиатской части России. Основными методамі

исследования были математическое моделирование и картографический. Дл?

оценки устойчивости почв и экосистем к кислым выпадениям использованг

биогеохимическая модель PROFILE (Warfvinge, Sverdrup, 1995), основанна*

на методе нединамического масс-баланса. При оценке минералогического со

става почв по данным валового анализа, необходимого для расчета величиь

внутрипочвенного выветривания основных катионов моделью PROFILE, при

менялась модель UPPSALA. Подготовка входных данных проводилась с ис

пользованием специальной процедуры пересчета взятых из литературных ис

точников показателей, характеризующих параметры биологического кругово

рота, химический состав почв, почвенного раствора и атмосферных выпаде

ний, физические свойства почв и биоклиматические условия функционирова

ния экосистем. Для обобщения данных об устойчивости экосистем к кислот

ным выпадениям использован расчет критических нагрузок, специфически)

для каждого местоположения, с последующей их регионализацией (Warfvinge

Sverdrup, 1995), для чего была подготовлена специальная картографическа?

основа - карта-схема природных комплексов. С целью установления степені

пригодности различных методик расчета критических нагрузок проведене

сравнение величин критического выноса компонентов, определяющих кисло

тонейтрализующую способность почвенного раствора, и критических нагрузої

по некоторым видам кислотности, рассчитанных разными способами.

Научная новизна. Автором впервые для территории Азиатской часті России оценена устойчивость почв и экосистем в целом к кислотным нагруз кам путем расчета критических нагрузок подкисляющих соединений, состав лены карты территориальной дифференциации природных комплексов (эко систем) на базе интеграции контуров почвенной и геоботаничебкой карт, ки слотных, основных и результирующих атмосферных выпадений, внутрипоч венного выветривания физиологически активных катионов, критических нагру зок по кислотности и по сере.

Практическая значимость работы определяется возможностью ис пользования результатов исследований при создании системы мониторинг; выпадений подкисляющих соединений для Азиатской часта России, разработ ке региональных программ рационального природопользования, обоснована мероприятий по снижению и предотвращению негативных последствий антро погенного подкисления почв.

Апробация и публикации. Основные результаты исследований по те ме диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры эколо гического нормирования и Учебного Центра почвоведения, экологии и приро

допользования Путинского государственного университета, лаборатории биогеохимии агропандшафтов Института фундаментальных проблем биологии РАН, лаборатории гидрохимии и химии атмосферы Лимнологического института СО РАН, на XII конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 1997), X Всероссийской ландшафтной конференции (Москва, 1997), Международной конференции «Классификация геосистем» (Иркутск, 1997), Всероссийской конференции «Экологический риск: анализ, оценка, прогноз» (Иркутск, 1998), Второй Российской школе «Геохимическая экология и биогеохимическое районирование биосферы» (Москва, 1999), X научном совещание географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 1999), Международном совещании «Методы оценки состояния и устойчивости лесных экосистем» (Красноярск, 1999), Международном симпозиуме «Геохимия ландшафтов, палеоэкология и этногенез» (Улан-Удэ, 1999) и X Международном семинаре по расчету и картографированию критических нагрузок для атмосферных загрязнителей (Пушино, 1999).

Основное содержание диссертационной работы изложено в 12 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 174 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 7 рисунками и 12 таблицами. Она состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 252 наименования использованных литературных источников, и 4 приложений на 37 страницах.

Результаты исследований явились основой для формулирования следующих основных положений, представленных в качестве предмета защиты:

1. При отсутствии кадастровых и мониторинговых данных, требующихся для расчета критических нагрузок подкисляющих соединений на почвы и экосистемы, необходима специальная процедура пересчета показателей характеризующих параметры биологического круговорота, химического состава почв, почвенного раствора и атмосферных выпадений, физических свойств почв и сведений о биоклиматических условиях функционирования экосистем, взятых из литературных источников.

2. Пространственное распределение критических нагрузок подкисляющих соединений на почвы и экосистемы Азиатской части России зависит от положения последних в системе зональной, фациальной и высотно-поясной дифференциации почвенного и растительного покрова, осложняясь пространственной вариабельностью величин внутрипочвенного выветривания.

3. Расчет критических нагрузок подкисляющих соединений на почвы и экосистемы с использованием биогеохимической модели PROFILE позволяет более корректно оценить устойчивость экосистем к кислотным выпадениям по сравнению с другими используемыми методами.