Введение к работе
Актуальность работы. Лесной пожар – интенсивное техногенное воздействие, нарушающее естественное равновесие между отдельными компонентами биогеоценоза, влияющее на тип растительности, свойства и динамику почвы. Почвенный покров, выполняя важнейшие биосферные функции, весьма четко реагирует на все изменения, происходящие в биосфере, прежде всего на техногенные воздействия, одним из которых является лесной пожар.
Теоретические подходы к изучению влияния лесных пожаров на почвы обоснованы в трудах отечественных и зарубежных ученых (Корчагин А.А., 1954; Вакуров А.Д., 1975; Бузыкин А.И., 1978; Каплюк Л.Ф., 1980; Padoch, Vayda, 1983; Frandsen W.H., 1986; Громцев А.И., 1993; Краснощеков Ю.Н., 1994, 2008; Вальков В.Ф., 1996; Кулешова Л.В., 1996; Зайдельман Ф.Р., 2002; Lindbladha M., 2003; Dickinson M., Johnson E., 2004; Мелехов И.С., 2007; Мазиров М.А., 2008; Michaletz S.T., 2007; Бобровский М.В., 2010; Щербов Б.Л., 2008, 2011).
Техногенная трансформация почв лесных экосистем Центрально-Черноземного региона (ЦЧР) исследовалась многими учеными, результаты отражены в работах Адерихина П.Г., 1967, 1973; Свиридовой И.К., 1962; Ахтырцева Б.П., 1983, 1992; Беляева А.Б., 1991, 2010; Королева В.А., 1993, 2007; Щербакова А.П., 1993, 2003; Щеглова Д.И., 1999, 2005; Протасовой Н.А., 2003, 2011; Девятовой Т.А., 2006, 2008; Джувеликяна Х.А., 2003, 2008; Яблонских Л.А., 2001, 2011; Трегубова О.В., 2002, 2008. Тем не менее, проблема влияния лесных пожаров на состав и свойства почв ЦЧР в научной литературе практически не раскрыта. Большая часть имеющихся по этому вопросу работ проведена в зоне тайги. Динамика пирогенных экосистем, в том числе почв, в пределах Среднерусской лесостепи ранее не изучалась, в то время как лесные пожары 2010 года, затронувшие около 20000 га Воронежской области (Доклад о состоянии окружающей среды, 2011), коренным образом изменили растительность и почвы региона. Этим обусловлена актуальность проведенных исследований по влиянию пирогенного фактора на состав и свойства лесостепных почв Центрально-Черноземного региона.
Научная база программ противодействия лесным пожарам должна включать данные о последствиях влияния пирогенного фактора на различные компоненты природной среды, в том числе на почвы, которые максимальное время сохраняют следы не только прямого, но и косвенного воздействия огня. Наряду с исследованием генетических свойств почв в качестве информативных параметров деградации почвы под воздействием лесных пожаров целесообразно использовать показатели уровня ферментативной активности почв (ФАП), так как для ЦЧР имеется обширная база данных по ФАП естественных и антропогенных ландшафтов (Девятова Т.А., Безлер Н.В., Свистова И.Д., Стахурлова Л.Д., Крамарева Т.Н. и др.).
Цель исследования – установить особенности трансформации состава и свойств почв лесных экосистем ЦЧР под влиянием лесных пожаров.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Проанализировать основные направления и результаты исследования влияния лесных пожаров на компоненты экосистем, в том числе почв.
2. Исследовать влияние пирогенного фактора на основные физико-химические свойства чернозема выщелоченного, дерново-лесной глеевато-элювиальной и дерново-лесной глеево-элювиальной почвы.
3. Установить региональные особенности трансформации химических свойств лесостепных почв региона под влиянием пирогенного фактора.
4. Выявить влияние лесного пожара на ферментативную активность чернозема выщелоченного, дерново-лесной глеевато-элювиальной и дерново-лесной глеево-элювиальной почвы.
5. Предложить информативные параметры биоиндикации лесостепных почв ЦЧР после лесного пожара.
6. Провести сравнительный анализ особенностей распределения подвижных соединений тяжелых металлов (ТМ) в фоновых и пирогенных черноземах выщелоченных, дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почвах.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые для лесостепных почв ЦЧР проведен детальный анализ изменения физико-химических свойств почв после лесного пожара. Установлено значительное подщелачивание почвенного раствора после пирогенного воздействия, связанное с поступлением в почвенный раствор карбонатов Ca и Mg, а также катиона K с золой. Обнаружено существенное снижение потенциального плодородия почв (содержание гумуса в 0-10 см слое почв уменьшилось на 1,5 %) и повышение эффективного плодородия почв за счет увеличения содержания подвижных форм зольных элементов.
Изучены особенности кратковременной динамики ферментативной активности чернозема выщелоченного, дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почв после воздействия лесного пожара. Предложено использовать показатели инвертазной активности в качестве биодиагностического показателя трансформации лесостепных почв ЦЧР после лесного пожара.
Проведен сравнительный анализ особенностей распределения по профилю фоновых и пирогенных почв подвижных соединений тяжелых металлов. Обнаружена тенденция увеличения содержания в почвах, подвергшихся пирогенному воздействию подвижных соединений Zn и Cu.
Защищаемые положения:
1. В почвах лесов, подвергшихся пожару, происходит уменьшение содержания гумуса, что связано с непосредственным разрушением органических веществ под действием высоких температур; подщелачивание раствора и увеличение содержания зольных элементов P2O5 и K2O в верхнем 0-10 см слое почвы из-за их поступления с золой растений, образовавшейся после лесного пожара.
2. Результаты сравнительного анализа данных по содержанию подвижных соединений ТМ в фоновых и пирогенных почвах после лесного пожара показали тенденцию увеличения содержания подвижных соединений Zn и Cu в сравнении с их «фоновыми» значениями.
3. Параметры ФАП для биоиндикации чернозема выщелоченного, дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почв после воздействия лесного пожара.
Практическая значимость работы. Полученные данные по химическим свойствам и ФАП, а также распределению подвижных форм соединений ТМ в изучаемых почвах могут быть использованы для создания и функционирования
геоинформационных систем, организации почвенно-экологического мониторинга, ОВОС, экологической экспертизы после пирогенного воздействия. Полученный новый фактический материал и теоретические положения используются в лекционном курсе «Общая экология», в спецкурсе «Техногенные системы и экологические риски», читаемых на кафедре экологии и земельных ресурсов биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета для студентов, обучающихся по направлению экология и природопользование.
Апробация результатов исследований.
Результаты исследований были представлены и обсуждались на научно-практической конференции «Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия» (Курск, 2010); на научных сессиях ВГУ (секция почвоведение и экология почв, Воронеж, 2010, 2011, 2012, 2013); на всероссийской конференции с международным участием «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск, 2012); на международной молодежной научной школе «Воспроизводство, мониторинг и охрана природных, природно-антропогенных и антропогенных ландшафтов» (Воронеж, 2012); на VIII Межрегиональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии» (Воронеж, 2012); на международной научной конференции «Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы)» (Воронеж, 2012); на международной летней экологической школе MOSES-2012 (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Москва, 2012); на IX Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной году охраны окружающей среды в Российской Федерации «Экологическая безопасность нашего будущего» (Воронеж, 2013); на международной научной конференции, посвященной 95-летию со дня рождения Милькова «Структурно-динамические особенности, современное состояние и проблемы оптимизации ландшафтов» (Воронеж, 2013); на научно-практической конференции с международным участием «Анализ экологических функций почв и сервисов экосистем: мониторинг и моделирование» (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Москва, 2013).
По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, из них 6 – в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, приложений и списка использованной литературы, который включает 248 наименований, в том числе – 57 иностранных авторов. Основной текст изложен на 169 страницах, включает 41 таблицу и 33 рисунка. Общий объем рукописи – 235 страниц.
Выражаю глубокую благодарность научному руководителю д.б.н. Т.А. Девятовой за помощь и поддержку в выполнении работы, к.б.н., старшему преподавателю кафедры почвоведения и управления земельными ресурсами Н.С. Горбуновой за консультации при выполнении работы, а также всем сотрудникам кафедры экологии и земельных ресурсов Воронежского госуниверситета, особенно д.б.н., профессору Л.А. Яблонских за ценные советы в процессе подготовке диссертации.
