Биологический и геологический круговороты веществ

Годичный баланс органического  вещества строится на основании полученных данных по запасам фитомассы, величинам годичного прироста и опада фитоценоза, а также запасам мертвого органического вещества и подстилки. По разности между приростом и опадом рассчитывается истинный прирост. Для построения баланса круговорота элементов минерального питания и азота исходным является баланс органического вещества растительных сообществ [11, c. 98].

При изучении биологического круговорота  зольных элементов многие зарубежные и некоторые советские исследователи  ограничивались определением в растениях небольшого набора элементов — Са, К, Р, S, иногда Mg. В целях сравнимости материалов и выявления роли тех или иных химических элементов в жизненных циклах, а также роли их в почвообразовании необходимо изучение в первую очередь следующих макроэлементов: Si, Са, К, Mg, P, Al, Fe, Мп, S, Gl, Na. Зольный анализ реко мендуется проводить по. В. М. Калужской. Из микроэлементов необходимо определять в первую очередь Сu, Со, Zn, В, Мо. Аналитические работы следует постепенно расширять, включая в них определения все большего числа химических элементов.

Данные анализов следует выражать в процентах на абсолютно сухое (высушенное при 100—105°) вещество, в  элементах, а не в окислах. При  изучении биологического круговорота  элементов необходимо определять во всех органах растений содержание азота.

Расчет баланса химических элементов. Расчет содержания зольных элементов и N в фитомассе производится путем умножения весов структурных единиц органического вещества каждого вида (или группы видов) на содержание в них того или иного химического элемента. Расчет содержания зольных элементов и азота в мертвом органическом веществе устанавливается путем умножения весов подстилки (или отдельных ее слоев), мертвой древесины, ветоши, степной подстилки и т. д. на содержание того или иного химического элемента [11, c. 98].

Расчет годичного потребления  химических элементов нарастающей  органической массой (приростом) производится путем умножения весов структурных  единиц прироста каждого вида (или  группы видов), в том числе и опадающих частей растений, на величину максимального за сезон содержания в них того или иного химического элемента.

Расчет годичного возврата химических элементов с опадом производится путем умножения весов годичного опада того или иного растения или групп растений (с учетом их структурных элементов) на содержание того или иного химического элемента в опаде. Затем полученные данные суммируются для всех растений, входящих в фитоценоз. Вычисление возвращаемых в почву элементов питания должно производиться исходя из фактически определяемой величины опада, т. е. с учетом хозяйственных мероприятий (рубки ухода, уборка сухостоя, сенокошение и т. д.).

2.3. Количественная оценка биохимических циклов

При определении функции и структуры  экосистемы наряду с другими факторами важное значение имеет оценка скорости обмена, или переноса веществ. В последнее время в связи с развитием научно-технического прогресса, а также с созданием и разработкой современных методов исследований в экологии, в том числе радиоактивной индикации, масс-спектрометрии, автоматического слежения и дистанционных измерений, появилась возможность измерять скорость циркуляции в довольно обширных экосистемах и получать количественную оценку биохимических круговоротов в глобальном масштабе [13, c. 84].

На ранее приведенных схемах дано лишь общее представление о  биохимических циклах. Количественные же их характеристики изучены недостаточно, особенно в крупных экосистемах. Огромный толчок в этом направлении дало применение радиоактивных изотопов в качестве меток. Сущность метода состоит в том, что в экосистему или отдельные ее части вносят изотоп в малых по сравнению со стабильным изотопом количествах. Это не приводит к заметным нарушениям ни за счет радиоактивности, ни за счет дополнительного внесения изучаемого элемента. Далее определяют, что происходит с меткой, которая отражает все происходящее с интересующим нас элементом.

Метод радиоактивной индикации  можно проиллюстрировать на примере  поведения фосфора. Несмотря на то что  круговорот фосфора в глобальном масштабе уравновешен, его миграция из организма в среду и обратно, как правило, происходит неравномерно. В любой промежуток времени большая часть фосфатов находится в связанном состоянии – в организме или твердом субстрате. Обмен фосфора между доступной и недоступной фракциями идет постоянно, но нерегулярно, «рывками». Периоды перехода в доступные формы сменяются периодами его активного связывания органическим и минеральным компонентами биосферы. Как правило, связывание фосфора идет быстрее, чем высвобождение. В период интенсивного роста продуцентов и консументов весь подвижный фосфор (или основное его количество) может быть связан. Поэтому по содержанию фосфора в конкретный момент нельзя судить о продуктивности экосистемы. Низкое содержание его может свидетельствовать об истощении элемента в экосистеме, либо о высокой интенсивности ее метаболизма. Дать правильную оценку продуктивности экосистемы можно только после определения скорости потока этого элемента.

Для сравнения скоростей обмена между разными компонентами экосистемы удобно пользоваться понятием «оборот». Если иметь в виду обмен после установления равновесия, то скорость оборота – это часть общего количества данного вещества в данном компоненте экосистемы, высвобождающаяся за определенное время. Время оборота – обратная величина, обозначающая время, необходимое для полной смены всего количества этого вещества в данном компоненте экосистемы. Так, если в компоненте содержится 1000 единиц вещества и в 1 час поступает или убывает 10 единиц, то скорость оборота равна 0,01, а время оборота – 1000/10, или 100 часов.

Изучая круговорот биогенных элементов, можно сделать важный практический вывод: избыток элемента может быть так же невыгоден для человека, как и недостаток. Например, фосфор при внесении в почву в количествах, превышающих возможность его усвоения активными организмами, быстро связывается. В дальнейшем может происходить так называемое «старение» фосфатов и снижение их доступности для питания растений [13, c. 89].

Так как организмы адаптированы к разным уровням содержания элементов, нарушение соотношения элементов питания может привести к изменениям химического и даже видового состава организмов вплоть до исчезновения некоторых видов, то есть при недостаточном, или избыточном применении субсидий они превращаются в источник стресса.

Изучение круговорота биогенных  элементов удобно проводить на примере  водосборных бассейнов. Водосборный бассейн – это водоем и прилегающая к нему территория, с которой поступают воды с поверхностным стоком. Водосборный бассейн можно рассматривать как своеобразную единицу экосистемы. Наблюдение за водосборными бассейнами позволяет для сравнения выделить экосистемы с различной степенью нарушения хозяйственной деятельности и, исходя из этого, дать рекомендации по уменьшению оттока из круговорота основных биогенных элементов и восстановлению их циркуляции.

Как правило, потери элементов питания  с ненарушенных облесенных водосборных бассейнов вдоль ручьев невелики и компенсируются в основном поступлением элементов с осадками и продуктами выветривания. С увеличением степени освоения водосборных бассейнов в водах ручьев и рек резко возрастает содержание азота и фосфора. В воде, стекающей с полностью освоенной территории, содержание азота и фосфора в семь раз выше, чем в ручьях, протекающих по территории, занятой лесом. Следует, однако, учитывать, что увеличение содержания элементов в поверхностном стоке с освоенных территорий может быть связано и с большим их поступлением с удобрениями.

При соответствующих мероприятиях можно более эффективно возвращать в круговорот химические элементы и уменьшить расточительный «однонаправленный» поток. Однако производители не заинтересованы в,проведении таких мероприятий, так как это приводит к увеличению себестоимости производимой продукции и снижению ее конкурентоспособности. Заинтересованность же появится тогда, когда запасы химических элементов истощатся и, следовательно, последние подорожают или когда произойдет заметное снижение качества жизни.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Опытные площадки Криничанской сортоиспытательной станции были заложены на территории почвенного стационара в 1997 году. Площадь каждой из них 9 кв.м. Мощность слоя бескарбонатного покровного суглинка составила 2 м. На площадках были созданы фрагменты растительных сообществ, типичных для южного Полесья. Из 20 площадок четыре заняты чистыми сосновыми насаждениями, четыре - смешанными насаждениями из сосны, дуба и берёзы, четыре - широколиственными породами. В четырех были посеяны многолетние травы. Две площадки заняты культурами, входящими в полевой севооборот и две - контрольные, поддерживаемые в состоянии чистого пара.

Основное внимание в исследовании было уделено анализу закономерностей  динамики фитомассы и биологического круговорота в растительных сообществах с луговой растительностью и отдельных культур из полевого севооборота. Для этого проводился учет надземной фитомассы многолетних трав на четырех площадках с разбором укосов по хозяйственным группам (злаки, бобовые, разнотравье) и были обобщены данные за предыдущие годы наблюдений. Для получения основных характеристик биологического круговорота проведен химический анализ зольного состава растений в образцах за 2005-2011 годы. По опытным площадкам с многолетними травами было проанализировано 15 образцов укосов трав. Также были продолжены наблюдения за динамикой фитомассы на площадках с сельскохозяйственными севооборотами (с учетом всех структурных частей произрастающих культур) и произведен анализ зольного состава растений, произраставших на учетных площадках в предыдущие годы (всего 20 образцов). Кроме того, были проведены необходимые наблюдения за динамикой фитомассы с древесными насаждениями (измерение прироста, учет опада).

Многолетние травы первый раз были посеяны в 1997 году с однократным внесением удобрений (170 кг/га аммиачной селитры и 400 кг/га простого суперфосфата). В дальнейшем за весь период исследований удобрений не вносили, так что первоначальное минеральное питание растений обеспечивали как внесенные удобрения, так и материнская порода, а также вещества, поступающие с атмосферными осадками. После 10 лет вегетации опытные площадки в течение года находились в состоянии черного пара и в 2007году был произведен второй посев трав, состоящий из 60% и 40% бобовых.

В результате анализа данных за некоторые  годы наблюдений (2005-2010) был сделан вывод, что в целом многолетние травы характеризуются высокой урожайностью (сред. -  49,7 ц/га) (таблица 1). Эти показания несколько выше, чем средние данные за первые 10 лет наблюдений (44 ц/га). При анализе соотношения основных хозяйственных групп растений - злаков и бобовых - отчетливо выявляется преобладание с годами злаков. С годами появляются отдельные представители группы невысевавшейся группы разнотравья, что связано с заносом семян некоторых сорных растений. Увеличение количества бобовых в 2005 году связано с их искусственным подсевом.

Таблица 1. - Надземная фитомасса многолетних трав (ц/га)

Изучение зольного состава групп  растений (злаков, бобовых и разнотравья) (таблица 2) позволяет сделать вывод о том, что основные закономерности зольного состава растений, произрастающих в лизиметрах, совпадают с таковыми у растений в естественных биогеоценозах. Так, в злаках наблюдается повышенное содержание К (до 1,5%) и относительно низкое содержание кальция (0,3-0,4%). В бобовых и калий, и кальций содержатся в больших количествах (около 1,5%). То же можно сказать и о немногочисленной группе разнотравья. Наблюдаемые различия в зольном составе одних и тех же групп растений в разные годы может объясняться флюктуациями в видовом составе укосов. Однако общей закономерностью является некоторое увеличение зольности растений с годами, что говорит об обогащении верхнего слоя почвогрунта минеральными (и органическими) веществами в процессе трансорфмации растительных остатков за годы существования опыта (так как на лизиметрах не производилось ежегодного отчуждения надземной части растений).

Таблица 2. - Зольный состав многолетних трав (% на абсолютно сухую навеску)