авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Влияние техногенеза на биогеохимические параметры геосистем

-- [ Страница 2 ] --

Теоретические исследования. Известные в литературе результаты по минеральному влиянию на ландшафты обобщались нами в рамках классического геохимического подхода к устойчивости открытых систем, т.е. компенсации внешних возмущений за счет изменения внутренних параметров системы. Разрабатывалась модель устойчивости почвенных систем, в основе которой связь внешних параметров почвенных систем с внутренними – нитрификационными параметрами. Для интерпретации полученных опытных и экспериментальных результатов широко использовались хрестоматийные понятия устойчивости геосистем, такие как пластичность, устойчивость 1-го и 2-го рода, инвариантность, гемеостазис, сильные и слабые географические системы.

В работе для описания неоднородностей почвенного покрова представлены все виды картографических моделей: выделы, катены, потоковые картографические модели (КОСМ). Для перехода в ландшафтное пространство использованы положения концепции адаптивно - ландшафтных систем земледелия (Кирюшин В.И.,1993), представляющих определение параметров элементарных ареалов ландшафтов и их анализ с применением картографических моделей.

Экспериментальные исследования. Устойчивость ландшафтов рассмотрена на примере описания параметров элементарных ареалов ландшафтов для плоских почвенных систем и локальных ландшафтных катен. В работе использовалось положение о сопряжении техногенных ландшафтов при переходе от локальных плоских почвенных систем и локальных ландшафтных катен к более сложной ландшафтной системе, в которой они расположены - локальному водосборному бассейну рек Каменка и Мжара, и далее к региональному бассейну рек Клязьма – Ока. Проводился учет интегрального техногенного воздействия сельскохозяйственных ландшафтов локального водосборного бассейна на его водные объекты и загрязнений суперэкотоксикантами территории региона.

При обобщении полученных геоэкологических данных использовался бассейновый принцип и базовые геохимические представления о закономерностях миграции, рассеяния и концентрирования атомов в ландшафте, наличии элювиальных, иллювиальных, транзитных звеньев ландшафта и расположении их в пространстве. Пространственная структура этих звеньев образует матрицу миграционных процессов, которая влияет на текущие миграционные процессы по принципу отрицательной обратной связи. Для оценки влияния этой пространственной структуры на факторы почвообразования и биогеохимического круговорота использовались карты обзорных свойств местности (КОСМ).

КОСМ нами были получены для территории Владимирского Ополья,

г. Суздаля и Суздальского района. Они использовались для планирования и обсуждения загрязнения территории диоксинами, диоксиноподобными токсикантами и полиароматическими углеводородами, финансированной в рамках федеральной целевой программы «Диоксин». Одна из таких карт представлена на рис. 1.

Рис.1. Почвенная карта территории агроландшафтов опытных полей Владимирского с.-х института, полученная по данным КОСМ. (Часть Владимирского ополья). М 1:10 000. Составлена И.Ю. Винокуровым совместно с почвоведами Пущинской академической школы в 1998 г. Условные обозначения. Почвы: 1-Темно - серые лесные; 2- Серые лесные; 3 – Светло-серые лесные; 4 – Светло - серые глеевые; 5 – Серые лесные оподзоленные; 6 – Серые лесные оподзоленные, глеевые; 7 – Серые лесные намытые; 8 – Серые лесные глеевые, 9 – Овражно-балочные; 10 – Аллювиальные, глеевые; 11 –Дерновые глеевые

На карте рис. 1 четко выделяются нормальные серые лесные почвы выпуклостей – относительных дренированных повышений (Л1,Л2,Л3) и переходные и анормальные почвы вогнутостей - относительных понижений (Л2Г; Л3Г; Л2 ОП; ОБ и др.), преимущественно глеевые или оподзоленные, что связано с застойным режимом почвенных вод. Видно, как по длине потока с верхних положений к нижним, происходит последовательная закономерная смена подтипов серых лесных почв. Наиболее высокие места занимают темно-серые лесные, ниже за ними следуют серые лесные, еще ниже – в концевых частях потоков – светло-серые лесные. Системный принцип в потоковой древовидной системе карты рис. 1 проявляет себя в данном случае в том, что относительно отдаленные (на несколько километров) друг от друга почвенные выделы оказываются связанными единством сонахождения и происхождения.

Рис.2. Карта обзорных свойств местности (КОСМ) г. Суздаля в детальном масштабе (М 1:2 000). Сильно уменьшена и генерализована

В этом докучаевском методологическом подходе изучаются не отдельные фрагменты природы без связи друг с другом, а тела природы, связанные между собой целостным единством, которое также называется системным единством. Эти представления также использованы для оценок загрязнения основного водного объекта г. Суздаля - реки Каменка.

Суздаль занимает уникальное положение; он находится в створе очень компактного водосборного бассейна, образованного реками Каменкой и Мжарой, определяющего экологию города. Территория бассейна (всего около 100 тыс. га) занята агроландшафтами.

На этой территории расположены несколько стационаров Росельхозакадемии, в том числе непосредственно связанные с разработкой и внедрением адаптивно – ландшафтных систем земледелия. Для обсуждения результатов на заливном (Ильинском) лугу, расположенном в центре города и выполняющего роль ландшафтно - геохимического барьера, использованы КОСМ.

КОСМ нами непосредственно использовались для восстановления древнего культурно – исторического ландшафта; залесения его дубравами. Работа финансировалась из федерального бюджета, а ее положительные результаты обсуждались Международным социально – экологическим союзом в рамках неправительственной программы «Дубы Европы». На рис. 3 показаны контуры залужения и залесения в неявной форме на обычной топографической карте (А) и явной - на КОСМ (В).

Рис. 3. Обоснование границ залужения и зелесения территории с помощью КОСМ

(А- топографическая карта, В - КОСМ)

Биогеохимическая модель устойчивости формировалась на базе стационара Россельхозакадемии по воспроизводству плодородия в длительных (17 лет) опытах. Почва серая лесная, тяжелосуглинистая. Размер стационара 50х50 м, Стационар представляет собой плоскую почвенную систему. Особенности биогеохимических параметров для плоских почвенных систем изучались и на примере агроландшафтного стационара. Его размеры 200х100 м. Пространственное распределение биогеохимических параметров по горизонтам криволинейного почвенного тела изучалось на примере части производственного поля опытного хозяйства ГНУ ВНИИСХ; размер катен 900х18 м.

Рис.4. Расположение исследуемого криволинейного почвенного тела- ландшафтной катены на КОСМ

Методология и методы исследований. В работе использовались три типа картографических моделей: выделы, катены, потоки. Выделы – основа эмпирических картографических моделей. Единицы – ареалы, внутренне однородные и изотропные; широко используются и для отображения геохимической неоднородности почвенного покрова, где почвенный покров представлен в нульмерном пространстве. Катена как геометрический эталон объединяет в систему ареалы различных склонов ландшафта. В этой модели почва представлена самостоятельным телом природы, свойства которого описываются законами физики и, прежде всего, гравитационным полем, определяющим действие гравитационных сил, влияющих на формирование потоков веществ. Основополагающий принцип потоковой методологии связан с физическим движением почвенно – геологических (земных) масс потоковых тел сверху вниз под влиянием гравитационного поля Земли и преобразованием вещества и энергии в этом процессе. Основа потоковой методологии – КОСМ; она включает основополагающий принцип В.В. Докучаева (1949) о влиянии рельефа на почвообразование: развитие нормальных почв происходит на водоразделах, переходных - на склонах, наносных - в понижениях (катенный принцип). В этой связи традиционное картирование ландшафтов базируется на горизонталях и их первых производных – линиях водоразделов и тальвегов. КОСМ базируются на изолиниях плановой кривизны – «морфоизографах» (вторых производных), которые геометрически преобразуют изолинии равной высоты топографических карт в изолинии равной кривизны. Такая процедура позволяет выделить на количественной основе «долины» - вогнутости и «наддолины» - выпуклости и создать в совокупности этих форм геометрический системный каркас – систему отсчета.

Экспериментальные исследования. Осуществлялись длительные полевые экспериментальные исследования. Повторность опытов трех и четырехкратная, учетная площадь делянок 60-90 м2. Прецизионный учет урожая проводился по четырем точкам – 1м2 каждая. Учет сплошным способом проводился по методике Б.А. Доспехова (1985) и методом парцеллярных площадок. Статистическую обработку данных осуществляли по программе STATISTICA 6,0, Surfer 7,0.. В почвенных образцах определяли подвижный фосфор по Кирсанову, обменный калий - по Масловой, нитраты – ионселективным методом, аммиачный азот - методом «индофеноловой зелени». Учет и наблюдения проводили по методике Госсортсети (1991).

Отбор проб на содержание диоксинов и ПАУ осуществлядся в соответствии с нормативно-технической документацией, разработанной при участии лаборатории аналитической экотоксикологии ИПЭЭ РАН, аттестованной Госстандартом РФ (аттестат № РОСС RU.0001.511136 от 11 ноября 1997 г.). Отбор проб почвы и донных отложений проводился в соответствии с ГОСТ 17. 4.02-84, ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.1.5.01.-80 соответственно.

Для определения содержания тяжелых металлов в почве и донных отложениях использовался атомно – адсорбционный метод в соответствии с ПНД 16.1:2.2:2.3.36-02 и МИ2223-92.

Для оценок загрязнений водных объектов использовался флуоресцентный метод, разработанный на кафедре биофизики МГУ.

В четвертой главе «Минеральное и органическое антропогенное воздействие на почвенные системы» рассмотрены особенности минерального техногенного и органического воздействия на почвенные системы. Возможности применения одного из основополагающих принципов термодинамики к биосферным явлениям были показаны в работе В.Г. Горшкова и К.Я. Кондратьева (1990). Авторы привели аргументы в пользу того, что устойчивость окружающей среды обеспечивается принципом Ле Шателье- Брауна, функционирующим в невозмущенной биоте. Все случайные геофизические и космические возмущения окружающей среды компенсируются соответствующими изменениями естественной биоты. Количественные характеристики функционирования биоты, согласно требованиям принципа Ле Шателье-Брауна, были получены по углероду, наиболее представительному биогену в биосфере. Нами было впервые показано (И.Ю. Винокуров, 1996), что этот принцип применим и к фокусу биосферы – почвенным системам.

Минеральное воздействие. В главе приведена предложенная автором синергетическая схема, объединяющая биологический блок азотфиксации с геохимическим блоком устойчивости геосистем. Исходное положение предложенного синергетического подхода – связь внешних (Pе) и внутренних (Pib, Pixa) параметров почвенных систем. В качестве Pe подразумевается, прежде всего, продуктивность почвенной системы. Из внутренних параметров рассматривается Pib – внутренний биологический параметр, и Pixa – химический (антропогенный) параметр, отражающий воздействие на почвенную систему минеральных удобрений. Отрицательная частная производная f(Pib)/Pixa<0 соответствует кооперативному эффекту и фундаментальным термодинамическим представлениям о том, что в устойчивой системе возникают внутренние изменения, стремящиеся противодействовать внешним воздействиям (принцип Ле Шателье-Брауна). При повышении доз минеральных удобрений повышается и роль саморегуляции - кооперативного эффекта.

Многочисленные опыты подтверждают, что азот минеральных удобрений при воздействии на почву приводит к сокращению активности микроорганизмов, задействованных в системе фиксации органического азота (В.Н. Кудеяров, 1980). Нами показано, что недооценка роли синергетического эффекта, обусловленного откликом внутренних параметров почв на внешнее минеральное антропогенное воздействие, может приводить к потере продуктивности почти на треть (И.Ю. Винокуров, А.А. Корчагин, М.А. Мазиров, 2007).

Органическое воздействие на почвенные системы качественно отличаются от антропогенных минеральных воздействий. Использование нами вермикомпоста для установления закономерностей органического влияния методически наиболее корректно по сравнению с другими органическими субстратами, например, навозом, содержащим минеральные аммиачные формы. Кроме методических задач, выбор вермикомпоста продиктован практической целесообразностью. Этот природный органический субстрат эффективно используется для решения задач реабилитации почв, загрязненных суперэкотоксикантами.

Для исследований нами использовался стационар (плоская почвенная система), длительное время использовавшийся для изучения воздействия больших доз минеральных удобрений и поэтому имел задачи изучения ускоренной биологизации, т.е. реабилитации почвенной системы после минерального техногенного воздействия (И.Ю. Винокуров, Д.В. Карпова, Л.И. Лексущенкова, 1995). Влияние доз минеральных удобрений и навоза на продуктивность почвенных систем обычно описывается кривой, выходящей на плато. Для вермикомпоста это влияние описалось трехфазной кривой (рис.5), т.е. обнаружился парадоксальный эффект.

 Парадоксальный эффект влияния различных доз вермикомпоста на продуктивность-2

Рис.5. Парадоксальный эффект влияния различных доз

вермикомпоста на продуктивность ячменя

Максимум продуктивности соответствует дозе 3 т/га и синхронизированным максимумам распространения всех видов болезней; минимум - дозе 5 т/га и синхронизированным фитопатологическим минимумам распространения всех видов болезней: происходит синхронное переключение параметров, т.е. почвенная система обнаруживает триггерный характер.

На рис. 6 представлены некоторые зависимости продуктивности от биологической эффективности болезней при различных дозах вермикомпоста, из которых видно, что почвенная система стремиться образовать замкнутые контуры. Их особенности представляют интерес для интерпретации биогеохимических профилей, полученных в пространстве криволинейных почвенных тел. В состав вермикомпоста входят биологически активные вещества (стимуляторы роста, гормоны, витамины и т.д.), поэтому автором анализируются имеющиеся в литературе данные по эффектам сверхмалых доз биологически активных веществ (Е.Б. Бурлакова и др. 2003) и на этой основе интерпретируются полученные им данные. Применительно к влиянию биологически активных природных субстратов показано, они могут оказывать управляющее воздействие на почвенную систему: стимулировать ее работу на «внешнюю отдачу» в виде увеличения продуктивности и «на себя» в виде

 Зависимости продуктивности от биологической эффективности болезней ( А-4 Зависимости продуктивности от биологической эффективности болезней ( А-5

Рис. 6. Зависимости продуктивности от биологической эффективности болезней ( А гельминтоспориоза, Б-фитофтороза, В- корневых гнилей) при различных дозах вермикомпоста

внутреннего восстановления своих подсистем, т.е. реабилитацию. Это имеет принципиальное значение для разработки методологических подходов к реабилитационным технологиям, к тому же в последнее десятилетие эффекты сверхмалых доз связывают с влиянием полей.

При завершении главы автор указывает на единство почвенной биокосной системы, принципиальную невозможность универсального описания минерального техногенного и органического воздействия. Признание единства минеральной и органической компоненты почвы, как биокосной системы, подтверждается результатами проведенных автором длительных экспериментов. Как при минеральном техногенном, так и при органическом воздействии обнаруживается значительная роль кооперативных эффектов и невозможность построения моделей описания почвенных систем только на аддитивной основе.

При минеральном антропогенном воздействии кооперативные эффекты имеют непрерывный характер и проявляются в области средних и высоких доз. Их описание формально ограничивается рамками термодинамического принципа Ле Шателье – Брауна, который используется при рассмотрении устойчивости геосистем.. При органическом воздействии роль кооперативных эффектов резко возрастает. Они обнаруживают дискретный характер. Параметры системы могут меняться синхронно управляющему параметру; для них становится характерным триггерность и стремление образовывать замкнутые контуры, что подчеркивает значимость развиваемых представлений о почвенном покрове как единой информационной системе и соответствует пластическому типу устойчивости геосистем. С другой стороны выявленные особенности не позволяют описать минеральное техногенное и органическое воздействие на почвенную систему единой моделью.

Пятая глава «Биогеохимическая модель устойчивости почвенной системы» посвящена разработке биогеохимической (кинетической) модели устойчивости почвенной системы. Автором было показано, что биогеохимический принцип В.И. Вернадского позволяет актуализировать взаимодействие био и гео компонент почвенной системы через постижения химизма их сопряжения, что открывает перспективы построения моделей почвенных систем на основе триады.

Биогеохимическая модель устойчивости представляет собой дальнейшее развитие представлений о синергетической связи техногенных и биогенных потоков азота и вкладе этой связи в устойчивость геосистем. Синергизм органического и минерального мира отражают реальные природные процессы. Один из таких процессов - нитрификация, обуславливающая переход органической почвенной субстанции в минеральное вещество, что создает предпосылки для разработок моделей устойчивости почвенных систем на основе изучения кинетики нитрификации.

В основе модели определение скрытых параметров, изучение их отклика на воздействие внешних возмущающих систему факторов для описания саморегуляции и самоорганизации геосистем. Автором было впервые показано, что кинетика нитрификации почв может быть описана в рамках логистического уравнения Ферхюльста (1). В результате были определены константы скорости нитрификации (r) и экологические емкости (K) для различных почвенных систем.

(1)

Здесь r константа скорости процесса нитрификации, К- экологическая емкость (ресурс почвенных систем), x – текущая концентрация нитратов. Параметры К и r определялись из кинетических кривых, отражающих накопление нитратов во времени. В качестве параметра устойчивости предложено отношение К/r.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.