Анализ микробного дыхания и углеродных пулов при функционально-экологической оценке конструктоземов Москвы и Московской области

Актуальность темы

Урбанизация — одна из основных тенденций изменения современного землепользования (Стифеев, 2005; Сюняев, 2008; Svirejeva-Hopkins et al., 2004). В процессе урбанизации происходят фундаментальные трансформации растительного и почвенного покрова, потоков веществ и энергии, а ее результатом становится формирование урбоэкосистем, принципиально отличающихся от естественных (Lorenz et. al, 2003; Яшин, 2010; Pickett et al., 2011). Ключевым элементом урбоэкосистем являются городские почвы, различающиеся по степени «запечатанности», загрязненности, физическим и морфологическим свойствам (Герасимова и др., 2003; Poyat et al., 2006). Значительную долю городских почв составляют конструктоземы — искусственно созданные, слоистые почвы, широко распространенные под газонами (Строганова и др., 1997; Milesi et al., 2005). Несмотря на то, что конструктоземы могут занимать до 5−10% почвенного покрова урбанизированных регионов (Allarie et al., 2008), особенности их экологического функционирования остаются фактически неизученными.

Для последних десятилетий характерно растущее понимание экологической роли почвы в биосфере (Blum, 2005), оформившееся в виде учения об экологических функциях почв (Добровольский, Никитин, 1990; Апарин и др., 2008) и концепции экосистемных сервисов (Costanza et al, 1997; МЕА, 2005; TEEB, 2010). Основной сложностью практической реализации этих представлений становится дефицит знаний о механизмах, критериях и показателях оценки экологических функций почв. При поиске таковых целесообразно обратиться к микробиологическим показателям (Ananyeva et al., 2008; Сусьян и др., 2009) и характеристикам углеродных пулов в почвах (Post, Kwon, 2000; Zhou et al., 2007; Курганова, JTonec де Гереню, 2010), которые традиционно используются для оценки экологического качества почв (Nortcliff, 2002; Ritz et al., 2009). На данный момент ощущается дефицит подобной информации для урбанизированных почв. В тоже время, доминирующая роль урбоэкосистем в Московском регионе (Москва и Московская область) подчеркивает повышенную 4 актуальность исследования и оценки экологического функционирования констру ктоземов.

Целью работы было изучение особенностей микробного дыхания и углеродных пулов в конструктоземах Москвы и Московской области для качественной и количественной оценки их экологических функций Задачи исследования:

1. Изучить особенности морфогенетических, агрохимических и микробиологических свойств региональных вариантов конструктоземов Москвы и Московской области по сравнению с зональными почвами.

2. Выявить региональные закономерности пространственного разнообразия микробного дыхания, углеродных пулов и других показателей экологического функционирования конструктоземов.

3. В рамках вегетационного опыта исследовать краткосрочную временную динамику показателей функционирования конструктоземов.

4. В рамках вегетационного опыта и лабораторного эксперимента изучить влияние морфогенетических параметров и дозированной антропогенной нагрузки на экологическое функционирование конструктоземов.

5. Систематизировать существующие подходы для качественной и количественной оценки трех частных экологических функций' конструктоземов и интегральной оценки их экологического функционирования.

6. Апробировать предложенную систему подходов для функционально-экологической оценки представительного ряда конструктоземов Москвы и Московской области.

Научная новизна.

Изучены ключевые характеристики углеродного баланса городских почв и его микробной составляющей — почвенный органический углерод (Сорг), углерод микробной биомассы (Смик), микробное дыхание (МД) и почвенный метаболический коэффициент (</С02) для представительного ряда конструктоземов Москвы и области. Описаны закономерности пространственной динамики этих показателей в масштабах региона и изучены определившие ее факторы: природная зональность, функциональное использование и глубина отбора проб. Показано значимое отличие конструктоземов от зональных почв по ряду морфогенетических, химических и микробиологических параметров, включая показатели функционирования.

Изучена кратковременная динамика показателей Смик, Сорг, МД и г/ССЬ модельных конструктоземов. Показана стабилизация микробной биомассы конструктоземов после" двух лет развития. В рамках вегетационного опыта изучены локальные особенности функционирования конструктоземов с контрастными морфогенетическими характеристиками. В рамках лабораторного эксперимента описано воздействие различных концентраций и типов поллютантов, а также сроков загрязнения на экологические функции конструктоземов разного возраста, выявлена различная чувствительность изучаемых показателей к загрязнению.

Практическая значимость.

Собраны представительные данные по микробному дыханию и углеродным пулам конструктоземов Москвы и Московской области. Изучены их региональные закономерности и локальные особенности. Данная информацияключевой элемент анализа и картирования пространственно-временной динамики накопления Сорг, и эмиссии углекислого газа (ССЬ) городскими почвами, необходимый для оценки и моделирования роли почвенного покрова региона в глобальном изменении климата.

Полученные данные о влиянии морфогенетических характеристик и антропогенной нагрузки на экологические функции конструктоземов, а также о краткосрочной временной динамике показателей их функционирования целесообразно учитывать при корректировке нормативов качества почвогрунтов и рекомендаций по созданию конструктоземов.

Систематизированы и апробированы подходы к частной и интегральной оценке экологического функционирования конструктоземов Москвы и Московской области. Использование функционально-экологического принципа не только позволяет получить дополнительную актуальную информацию о состоянии городских почв, но и может послужить основой для принципиально нового подхода к их экологической оценке и нормированию.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на XIV Докучаевских молодежных чтениях (Всероссийская научная конференция) «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург, 2011) — Международной конференции «Ресурсный потенциал почв — основа продовольственной и экологической безопасности России» (Санкт-Петербург, 2011) — 6th International Congress of the European Society for Soil Conservation «Innovative Strategies and Policies for Soil Conservation» (Салоники, 2011) — 6th International Conference of the Urban Soils Working Group, SUITMA, of the International Union of Soil Sciences (Марракеш, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано печати 8 работ, из них 3 — в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 — в международном реферируемом журнале.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов экспериментов, выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 147 страницах текста, содержат 44 рисунок и 42 таблиц.

Список литературы

включает 176 источников, в том числе 114 на иностранном языке.