дніпропетровський національний університет

орлов олег леонідович

удк 631.417.2(282.247.31)

еколого-енергетична диференціація едафотопів

у біогеоценозах басейну верхнього дністра

03.00.16 – екологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному природознавчому музеї НАН України

Науковий керівник:

доктор біологічних наук, cтарший науковий співробітник,

Чорнобай Юрій Миколайович, Державний природознавчий музей НАН України, директор.

Офіційні опоненти:

доктор біологічних наук, Звєрковський Василь Миколайович, Дніпропетровський національний університет, кафедра геоботаніки, ґрунтознавства та екології, професор.

кандидат біологічних наук, Лоза Ірина Михайлівна, Дніпропетровський державний аграрний університет, кафедра фізіології рослин і ботаніки, доцент.

Провідна установа:

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 15 ” червня 2005 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, МСП, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13, корпус 17, біолого-екологічний ф-т, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13.

Автореферат розісланий “ 12 ” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.б.н. Дубина А.О.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В едафотопі, як підсистемі біогеоценозу, накопичується значна кількість енергії. Ця акумульована органічною речовиною ґрунтів енергія, будучи залученою до біотичного кругообігу, править значний вплив на характер та інтенсивність біогеохімічних процесів у біогеоценозі. Для більш чіткого розуміння процесів трансформації речовини та енергії у едафотопах природних угруповань, оптимізації і раціонального використання енергетичних ресурсів культурбіогеоценозів, винятково важливе значення має оцінка енергетичних характеристик едафотопів.

Проблема дослідження змін характеристик органічної речовини едафотопів, обумовлених посиленням антропогенного навантаження на біогеоценотичний покрив басейну верхнього Дністра, та пошуки найбільш ефективних методів оптимізації його функціонального стану, відносяться до найбільш важливих завдань екології та охорони природи в нашому регіоні. Ця проблема залишається невирішеною, хоча й виникла вона ще на початку ХХ століття. Незважаючи на значні успіхи у вивченні природи та властивостей гумусових речовин (Александрова, 1980; Алиев, 1978; Кононова, 1963; Орлов, 1990; Тюрін, 1965), питання антропогенної дигресії органічної речовини ґрунту ще повністю не вивчене, воно має як оптимістичне так і песимістичне висвітлення в природоохоронній та екологічній літературі. Різноманітність змін в освоєних біогеоценозах, яка постійно обговорюється в наукових колах, підтверджує необхідність детальних досліджень цих змін в залежності від ступеня їх освоєння та природних умов регіону. Тому вивчення характеру та напрямку антропогенних змін еколого-енергетичних характеристик органічної речовини едафотопів є актуальним аспектом загальної проблеми збереження ґрунтового блоку біогеоценотичного покриву басейну.

Актуальність таких досліджень полягає ще й в тому, що технократично-затратний принцип лісо- та сільськогосподарського виробництва спричинив екологічно необмежене і нераціональне використання біогеоценотичного покриву досліджуваної території, що призвело до інтенсифікації негативних процесів у едафотопах і, відповідно до помітного погіршення їх функціонального стану. Базуючись на детальному вивченні еколого-енергетичних особливостей едафотопів та їх змін під впливом антропогенного навантаження різного ступеня, можна розробити сучасні адаптивні природоощадливі та екологічно безпечні системи і методи господарювання на землі, що так потрібно під час реформування земельних відносин, появі нових землевласників та землекористувачів.

Актуальним на сьогодні є питання моніторингу ґрунтового покриву як складової частини біогеоценотичного покриву басейну верхнього Дністра, що викликано досить відчутним погіршенням його екологічного стану. Несистематичні, екологічно невиважені заходи по регулюванню процесів та режимів функціонування едафотопів, які впроваджені у природокористуванні, часто призводять до неоднозначних результатів і не забезпечують покращення продуктивності біогеоценозів та їх функціонального стану. Для об’єктивного інформаційного забезпечення та прийняття науково обґрунтованих рішень необхідним є блок вихідних, поточних і періодичних даних характеристик ґрунтового покриву. Тому під час організації та функціонування моніторингу земельних ресурсів у межах басейну верхнього Дністра, ділянки досліджених незмінених едафотопів під первинними рослинними угрупованнями вкрай необхідно включити до природо-охоронної інфраструктури.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Вибраний напрямок досліджень виконувався у рамках бюджетних наукових тем № 0196u003680 на 1995-2000 роки “Природно-історичні зміни та сучасний стан окремих груп біоти західного регіону України” та № 0101u002539 на 2001-2005 роки “Музейний моніторинг таксономічної різноманітності біоти західного регіону України”.

Мета і завдання досліджень. Основною метою роботи було з’ясувати вплив кількісного та якісного складу грунтового гумусу на енергоємність едафотопів та дослідити їх диференціацію за еколого-енергетичними параметрами. Для досягнення цієї мети у дисертації були поставлені наступні завдання: оцінити регіональні фактори та умови формування едафотопів, які спричиняють енергетичні особливості ґрунтового блоку природних та антропогеннозмінених біогеоценозів басейну верхнього Дністра; встановити регіональні особливості у різноманітті структури ґрунтового покриву верхньодністровських районів Передкарпаття та Карпат; визначити кількісні, якісні та пов’язані з ними енергетичні властивості органічної речовини едафотопів основних біогеоценозів у басейні верхнього Дністра; дослідити еколого-енергетичну дигресію едафотопів у зв’язку з процесами лісо- та сільськогосподарського освоєння території; розробити номенклатуру і категоризацію гумусового та енергетичного стану, антропогенної дигресії гумусових і енергетичних ресурсів едафотопів; запропонувати шляхи оптимізації еколого-енергетичного стану антропогенізованих едафотопів.

Об’єкт та предмет досліджень.

Об’єктом наших досліджень обрано гумусовий блок едафотопів первинних і вторинних біогеоценозів, культурбіогеоценозів та техногенних екосистем басейну верхнього Дністра.

Предметом досліджень були енергетичні параметри специфічних фракцій органічної речовини домінуючих едафотопів.

Наукова новизна одержаних результатів: Вперше в регіоні проведено оцінку еколого-енергетичного стану едафотопів у лісових та лучних біогеоценозах басейну верхнього Дністра; визначено регіональні та локальні особливості вмісту і запасів енергії та її розподілу по фракціях органічної речовини в едафотопах природних екосистем басейну верхнього Дністра; вперше для карпатського регіону досліджено антропогенні зміни кількісних та якісних характеристик едафотопів під впливом лісо- та сільськогосподарського освоєння; розроблено принципи категоризації та номенклатуру гумусового та еколого-енергетичного станів едафотопів природних біогеоценозів; розроблено схему типізації дигресії залежно від кількісно-якісних змін гумусових та енергетичних ресурсів едафотопів; вперше визначено напрямок та ступінь дигресії еколого-енергетичних параметрів органічної речовини едафотопів, що зазнають антропогенного навантаження, на прикладі освоєних відмін бурих гірсько-лісових, дерново-підзолистих, підзолисто-дернових, сірих опідзолених, лучних та ініціальних ґрунтів басейну верхнього Дністра.

Практичне значення отриманих результатів. Систематизовані кількісні, якісні та енергетичні показники органічної речовини едафотопів основних біогеоценозів басейну верхнього Дністра, що характеризують еколого-енергетичну диференціацію ґрунтового покриву, а також дані про їх зміни під впливом антропопресії, можуть використовуватись для еколого-діагностичних цілей, при розробці заходів відновлення функціонального стану біогеоценотичного покриву, бонітуванні та грунтово-екологічній оцінці, проведенні робіт по землеустрою і виборі раціональної спеціалізації земель, розробці системи заходів по запобіганню погіршення екологічного стану басейнових екосистем верхнього Дністра.

Основні результати досліджень використовуються лабораторією екології та антропогенезу ґрунтів Державного Природознавчого музею НАН України для створення списку модальних едафотопів, як основи регіональної Червоної книги ґрунтів, формування сітки стаціонарних об’єктів для визначення динаміки гумусового стану та еколого-енергетичних характеристик біогеоценотичного покриву регіону та оцінки якості середовища.

Особистий внесок здобувача полягає у зборі, камеральній, аналітичній та цифровій обробці матеріалу, зведені та аналізі отриманих даних, скерованих на вивчення кількісних, якісних і енергетичних характеристик органічної речовини основних типів природних та антропогенізованих ґрунтів басейну верхнього Дністра. Особистий внесок здобувача в роботу “Еколого-енергетичний стан ґрунтів як похідна ландшафтного різноманіття басейну верхів’я Дністра” // Наукові записки Держ. Природознавчого музею. – Львів, 2002. – 17. – С.175-178 (співавтор Чорнобай Ю.М.) полягає у зборі та опрацюванні матеріалу щодо гумусового стану та енергетичних особливостей ґрунтів басейну верхів’я Дністра та підготовці відповідної частини публікації.

Апробація результатів дисертації: основні положення дисертації доповідались і обговорювались на: міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 20-річчю Карпатського національного природного парку “Національні природні парки: проблеми становлення та розвитку” (Україна, Яремне, 2000 р.), II (1999 р.), III (2000 р.), IV (2001 р.) та V (2003 р.) наукових конференціях молодих вчених м. Львова “Наукові основи збереження біотичної різноманітності” (Україна, Львів), міжнародній науково-практичній конференції “Розточанський збір – 2000” (Україна, Старичі, 2000 р.), всеукраїнській науковій конференції молодих вчених і спеціалістів “Перспективи розвитку ґрунтознавства та агрохімії в новому тисячолітті” (Україна, Харків, 2001 р.), Х конференції Міжнародного біосферного заповідника “Східні Карпати” “Czlowiek w obszarach chronionych” (Польща, Устрики Дольні, 2001 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Лісівницькі дослідження в Україні” (Україна, Львів, 2002 р.), науково-практичній конференції “Проблеми моніторингу біорізноманітності в гірських і прилеглих до них регіонах” (Україна, Львів, 2002 р.), міжнародній конференції студентів і молодих вчених “Екологічні проблеми міст і промислових зон: шляхи їх вирішення” (Україна, Львів, 2003 р.), міжнародній науковій конференції “Проблеми урбоекології, урболандшафтознавства і фітомеліорації міського середовища” (Україна, Львів, 2003 р.).

Публікації. Основний зміст роботи викладено в 16 опублікованих роботах, у тому числі 5 статтях у періодичних наукових спеціальних виданнях, які входять до переліку, затвердженого ВАК України.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота викладена на 140 сторінках тексту і складається із вступу, шести розділів та висновків. Загальний обсяг дисертації – 187 сторінок. У роботі наведено 11 таблиць, 49 рисунків, 7 додатків. Список використаних джерел складається із 223 найменувань.

основний зміст роботи

Основні напрямки та здобутки еколого-енергетичних досліджень органічної речовини едафотопів

Вчення про біосферу В.І. Вернадського (Вернадський, 1926), генетичне ґрунтознавство В.В. Докучаєва (Докучаєв, 1952) та вчення В.І. Сукачова (Сукачов, 1947) про біогеоценози, дали поштовх до розвитку досліджень питань біогеоенергетики – особливого розділу біології, що вивчає енергетичні закономірності розподілу та акумуляції енергії в біогеоценозах. Енергетичний підхід до розгляду природних процесів в наш час отримує все більше поширення в працях як вітчизняних, так і зарубіжних вчених. Для вияснення питань біогеоенергетики особливе значення має вивчення енергетики ґрунтоутворення, оскільки едафотоп є відображенням основних властивостей біогеоценозу. Пріоритет в постановці та дослідженні цих питань належить В.Р. Волобуєву (Волобуєв, 1974), який розробив основні засади вчення про енергетику ґрунтоутворення. Ці дослідження привернули до себе значну увагу дослідників і сприяли використанню енергетичних критеріїв для дослідження едафотопів (Алієв, 1978; Воронін, 1990; Зейналов, 1981; Козін, 1990; Мукатанов, 1978; Пунонін, Захаренко, 1998; Щербаков, 1990). Щоб доповнити існуючі дані, нами проведені дослідження енергоємності гумусу та його фракцій в основних типах біогеоценозів басейну верхнього Дністра та зміни цих параметрів під впливом антропогенного навантаження.

ПРИРОДНІ та антропогенні ЧИННИКИ ЕНЕРГЕТИКИ біогеоценотичного покриву ПЕРЕДКАРПАТТЯ ТА КАРПАТ

Територія досліджень – цілісна природна система, яка охоплює фрагменти гірських ландшафтів Карпат, передгірських та рівнинних комплексів Передкарпаття. Компоненти цієї екосистеми пов’язані між собою спільним розвитком та міцними речовинно-енергетичними зв’язками. Басейн верхнього Дністра – унікальний регіон, де на досить компактній території спостерігається значна строкатість екологічних умов, яка визначає формування різних за генезою та морфологією едафотопів.

Проаналізовано чинники ґрунтоутворення (рельєф, клімат, ґрунтотворні породи, рослинність та антропогенна діяльність). Кожен з чинників розглядається з точки зору його впливу на еколого-енергетичні особливості едафотопів басейну верхнього Дністра.

ОБ’ЄКТИ, МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Басейн верхнього Дністра характеризується широким набором генетичних типів ґрунтів. Це сірі лісові ґрунти середніх терас Дністра; дерново-підзолисті оглеєні ґрунти передгірських давньотерасових розчленованих височин; лучні ґрунти річкових долин (заплав та низьких терас) та буроземи низько- та середньогір’я Карпат.

Відповідно до поставлених завдань, у межах басейну верхнього Дністра було виділено 4 репрезентативні полігони, де були досліджені едафотопи основних природних та антропогенно змінених біогеоценозів басейну верхнього Дністра.

Під час проведення лабораторно-аналітичних досліджень основна увага була приділена вивченню складу, властивостей та енергоємності гумусу едафотопів басейну верхнього Дністра, які характеризують їх сучасний стан та служать показниками ступеня антропогенної трансформації.

У відібраних ґрунтових зразках визначались: гігроскопічна волога, гумус, груповий та фракційний склад гумусу (Аринушкіна, 1970; Орлов, Грішина, 1968). Для узагальнюючої характеристики органічної речовини ґрунту і систематизації отриманих даних використовувались показники гумусового стану ґрунтів, розроблені Л.А.Грішиною, Д.С.Орловом (Грішина, Орлов, 1978).

Енергоємність гумусу та його фракцій визначались за теплотворною здатністю гумінових кислот, фульвокислот та гуміну, на основі усереднених даних власних калориметричних досліджень калорійності гумусових речовин, а також на підставі аналізів органічної речовини ґрунтів та її окремих фракцій у досліджуваних едафотопах.

Аналітичні дані піддавались статистичній обробці з використанням методів варіаційної статистики за допомогою програмного пакету “Excel, 2000”.

РЕЧОВИННО-ЕНЕРГЕТИЧНА ОЦІНКА едафотопів ОСНОВНИХ біогеоценозів БАСЕЙНУ ВЕРХНЬОГО ДНІСТРА

Гумусовий стан як передумова енергетичної диференціації едафотопів

Едафотопи природних біогеоценозів різняться між собою кількістю гумусу та його якісним складом (рис. 1.), що є передумовою їх енергетичних відмінностей.

Едафотопи бурих гірсько-лісових ґрунтів природних рослинних угруповань характеризуються дуже високим вмістом гумусу в складі якого переважають фульвокислоти та бурі гумінові кислоти, дерново-підзолистих – низьким вмістом органічної речовини в складі якого переважають гумінові кислоти та гумін, підзолисто-дернових – середнім вмістом гумусу в складі якого переважають гумін та гумінові кислоти, сірих опідзолених – середнім вмістом гумусу складеним переважно гуміновими кислотами, лучних – високим вмістом органічної речовини у складі якої значно переважають чорні гумінові кислоти.

Умовні позначення:

- гумінові кислоти;

- фульвокислоти;

- гумін.

1 – бурі гірсько-лісові; 2 – дерново-підзолисті; 3 – підзолисто-дернові; 4 – сірі опідзолені; 5 – лучні ґрунти.

Рис. 1. Вміст гумусу та його розподіл за групами гумусових речовин у едафотопах природних біогеоценозів басейну верхнього Дністра

Отже, для едафотопів первинних екосистем притаманні певні відмінності у вмісті та фракційно-груповому розподілі гумусових речовин, що свідчить про суттєві модифікації у матеріально-енергетичному балансі біогеоценозів кожного з регіональних ландшафтів, і відповідно – про відміни енергетичних процесів в якісному та кількісному вимірах.

Енергетична характеристика органічної речовини едафотопів у біогеоценозах басейну верхнього Дністра

Проведені нами прямі калориметричні дослідження гумусових речовин бурих гірсько-лісових, дерново-підзолистих, підзолисто-дернових, сірих опідзолених та лучних ґрунтів засвідчили, що теплотворна здатність різних груп органічної речовини значно відрізняється між собою, тоді як теплота згорання однієї групи у едафотопах різних біогеоценозів близька за значенням. згідно з отриманими даними теплота згорання гумінових кислот становить в середньому 20 кДж/г, фульвокислот – 10 кДж/г, а нерозчинного залишку (гуміну) – 17 кДж/г речовини (рис. 2.). До цього часу в переважній більшості досліджень для розрахунку енергоємності ґрунтів використовується єдиний для всіх типів ґрунту показник теплоти згорання гумусу, який становить 21,55 кДж/г. Оскільки у гумусі різних ґрунтів співвідношення груп гумусових речовин – різне, такий метод дає значні відхилення від справжніх значень. Отже, визначення енергоємності ґрунтів доцільно проводити враховуючи не тільки загальний вміст гумусу, але й його фракційно-груповий склад, через теплоту згорання гумусових речовин.

Умовні позначення:

- бурі гірсько-лісові ґрунти;

- дерново-підзолисті ґрунти;

- підзолисто-дернові ґрунти;

- сірі опідзолені ґрунти;

- лучні ґрунти.

1 – гумінові кислоти; 2 – фульвокислоти;

3 – гумін.

Рис.2. Теплота згорання гумусових речовин ґрунтів басейну верхнього Дністра визначена прямим калориметричним спалюванням

За отриманими результатами, найнижчою теплотворною здатністю серед обстежених едафотопів первинних біогеоценозів басейну верхнього Дністра характеризується гумус бурих гірсько-лісових ґрунтів (табл. 1.), що зумовлено високим вмістом фульвокислот в складі органічної речовини. Однак, незважаючи на невисоку теплоту згорання, органічна речовина цих ґрунтів створює найбільший енергетичний ресурс серед всіх досліджених едафотопів, що пов’язано з дуже високим вмістом гумусу. Розподіл енергії свідчить про те, що у едафотопах лісових біогеоценозів гірської частини басейну значну роль у енергоємності поряд з гуміновими відіграють фульвокислоти. Для едафотопів корінних лісових угруповань рівнинної частини басейну верхнього Дністра притаманна значно вища теплотворна здатність органічної речовини, ніж у буроземах. Це можна пов’язати з посиленням інтенсивності потоку енергії та покращенням ефективності її трансформації в лісах рівнинних територій, в порівнянні з гірськими лісами, що зумовлено змінами гідротермічного режиму та складу автотрофного блоку біогеоценозів. Теплота згорання органічної речовини едафотопів корінних лісів рівнинної частини басейну близька за значеннями і коливається в незначних межах (табл. 1.). Вміст енергії та її запаси невисокі, що пов’язано з незначним вмістом гумусу у верхньому горизонті. найбільш енергоємними групами гумусових речовин є гумінові кислоти та гумін. Найвища теплотворна здатність органічної речовини, серед незмінених біогеоценозів басейну верхнього Дністра, притаманна едафотопам заплавних лук, що зумовлено значною акумуляцією в гумусовому горизонті даних едафотопів високоенергоємних гумінових кислот. Лучні ґрунти та їх глейові відміни мають найбільші ресурси вільної енергії специфічних органічних сполук серед інших ґрунтів рівнинної частини басейну верхнього Дністра, головним чином за рахунок щорічного розкладання значної маси органічних решток у гумусово-акумулятивному горизонті. Розподіл енергії свідчить про те, що основна частка енергії акумулюється у гумінових кислотах (близько 70%).

Таблиця 1.

Еколого-енергетичні параметри едафотопів первинних рослинних угруповань басейну верхнього Дністра

Індекси генетичних горизонтів | Теплотворна

здатність гумусу, кДж/г | Вміст

енергії в гумусі,

Дж/г | Запаси енергії в шарі 0-20 см,

109 кДж/га | Вміст енергії у гумусових речовинах, Дж/г

гк | фк | гумін

Едафотопи гірських лісових біогеоценозів

Hd | 14, 9 | 2 252,8 | 2,3 | 1259,3 | 718,8 | 274,7

Едафотопи рівнинних лісових біогеоценозів

HE | 16, 3 | 586,6 | 1,4 | 269,2 | 94,0 | 223,4

HE | 15, 9 | 778,3 | 1,7 | 307,7 | 144,1 | 326,5

He | 16, 3 | 683,8 | 1,4 | 409,9 | 131,1 | 142,8

Едафотопи рівнинних лучних біогеоценозів

H | 16, 6 | 1 112,0 | 2,7 | 771,8 | 202,4 | 137,8

H | 17,0 | 1129,3 | 2,6 | 660,7 | 127,9 | 332,6

Таким чином, проведені дослідження засвідчили значну відмінність едафотопів природних біогеоценозів за їх енергетичними параметрами, що дає змогу проводити їх диференціацію на енергетичній основі.

Еколого-енергетична категоризація едафотопів басейну верхнього Дністра

на основі показників запасів енергії, акумульованої в шарі ґрунту 0-20 см та теплотворної здатності органічної речовини (табл. 1.), нами виділено 3 типи еколого-енергетичного стану ґрунтів корінних рослинних угруповань басейну верхнього Дністра (рис. 3.).

Перший тип – середньоенергоємні едафотопи зі значною теплотворною здатністю органічної речовини, об’єднує едафотопи для яких характерні середні запаси енергії, акумульованої у органічній речовині (1,0-2,0·109 кДж/га) та значна теплота згорання гумусу (>15,5 кДж/г органічної речовини). До цього еколого-енергетичного типу належать дерново-підзолисті, підзолисто-дернові та сірі опідзолені ґрунти корінних лісових угруповань рівнинної частини басейну верхнього Дністра.

Другий тип – високоенергоємні едафотопи зі значною теплотворною здатністю органічної речовини, об’єднує едафотопи, для яких притаманні високі запаси енергії (>2,1·109 кДж/га) та значна теплота згорання гумусу (>15,5 кДж/г органічної речовини). До цього еколого-енергетичного типу належать лучні ґрунти різного ступеня оглеєння природних лук, що поширені по всій рівнинній території басейну верхнього Дністра. |

Умовні позначення:

- високоенергоємні едафотопи, з незначною теплотворною здатністю;

- високоенергоємні едафотопи, зі значною теплотворною здатністю;

- середньоенергоємні едафотопи, зі

значною теплотворною здатністю.

БГЛ – бурі гірсько-лісові; Л – лучні;

ДП – дерново-підзолисті; ПД – підзолисто-дернові; СО – сірі опідзолені ґрунти.

Рис. 3. Еколого-енергетична типізація едафотопів природних біогеоценозів басейну верхнього Дністра

Третій тип – енергозбагачені едафотопи з незначною теплотворною здатністю органічної речовини, об’єднує едафотопи, що характеризуються дуже високими запасами енергії, акумульованої органічною речовиною (>2,1·109 кДж/га) та низькою теплотою згорання гумусу (<15,5 кДж/г органічної речовини). До цього еколого-енергетичного типу відносяться бурі гірсько-лісові ґрунти корінних лісів гірської частини досліджуваної території.

АНТРОПОГЕННА ДИГРЕСІЯ ЕКОЛОГО-ЕНЕРГЕТИЧНОГО СТАНУ ЕДАФОТОПІВ

Дигресія ресурсів органічної речовини едафотопів при заміні рослинних угруповань

Виявлено, що внаслідок заміни корінних рослинних угруповань вторинними, у всіх обстежених едафотопах відбуваються суттєві зміни вмісту та запасів гумусу в шарі 0-20 см (табл. 2.). Так досліджені едафотопи вторинних рослинних угруповань містять на 1/5 – 1/10 менше гумусу, ніж їхні аналоги у первинних біогеоценозах. Запаси гумусу в шарі 0-20 см також мають тенденцію до зменшення у вторинних біогеоценозах. Такі зміни призводять до втрат енергоємності едафотопів вторинних біогеоценозів та до зниження запасів енергії, акумульованої органічною речовиною.

Таблиця 2.

вміст та склад гумусу в едафотопах первинних та вторинних біогеоценозів

басейну верхнього Дністра

вміст

гумусу, % | Запаси гумусу в шарі 0-20 см, т/га | Групи гумусових речовин, % до Сзаг.

гк | фк | гумін

перв.1 | втор.2 | рілля3 | перв. | втор. | рілля | перв. | втор. | рілля | перв. | втор. | рілля | перв. | втор. | рілля

Бурі гірсько-лісові ґрунти

15,1 | 11,6 | 4,2 | 148,0 | 123,0 | 96,0 | 41,7 | 34,2 | 27,3 | 47,6 | 49,0 | 42,1 | 10,7 | 16,8 | 30,6

Дерново-підзолисті ґрунти

3,6 | 2,9 | 1,0 | 83,7 | 66,2 | 26,3 | 37,4 | 45,9 | 40,4 | 26,1 | 35,9 | 35,1 | 36,5 | 18,2 | 24,5

Підзолисто-дернові ґрунти

4,9 | 4,0 | 1,0 | 110,3 | 86,2 | 26,7 | 31,4 | 25,5 | 45,8 | 29,4 | 29,0 | 25,5 | 39,2 | 45,5 | 28,7

Сірі опідзолені ґрунти

4,2 | 3,6 | 2,8 | 88,4 | 79,4 | 44,9 | 48,8 | 38,4 | 44,9 | 31,2 | 36,1 | 28,9 | 20,0 | 25,5 | 26,2

Лучні ґрунти

6,7– | 3,1 | 161,0– | 76,6 | 57,5– | 34,7 | 30,4– | 23,0 | 12,1– | 39,6

1 - едафотопи первинних біогеоценозів; 2 - едафотопи вторинних біогеоценозів; 3 - едафотопи ріллі.

Заміна рослинних угруповань впливає і на якісний склад гумусу. У буроземах знижується частка гумінових кислот та збільшується частка фульвокислот, у дерново-підзолистих грунтах збільшується вміст гумінових кислот та фульвокислот за рахунок зменшення вмісту гуміну, у сірих опідзолених грунтах зменшується частка гумінових кислот, проте зростає вміст фульвокислот та гуміну. Такий груповий перерозподіл органічної речовини призводить до зниження теплотворної здатності гумусу едафотопів вторинних біогеоценозів, в порівнянні з едафотопами природних екосистем.

Зміни енергетичних характеристик гумусу в едафотопах вторинних біогеоценозів. При заміні первинних угруповань вторинними, динамічна рівновага між процесами гуміфікації та мінералізації органічної речовини зрушується в бік мінералізації. Такі зміни призводять до зниження теплотворної здатності їх органічної речовини у порівнянні з аналогічними едафотопами природних біогеоценозів, що пов’язано з зменшенням в складі гумусу високотеплоємних гумінових кислот. В результаті зменшення вмісту гумусу та зниження його теплотворної здатності спостерігається дигресія вмісту та запасів енергії акумульованої в цих едафотопах. Відбувається перерозподіл енергії по групах гумусових речовин: у бурих гірсько-лісових, сірих опідзолених та лучних грунтах знижується енергоємність гумінових та фульвокислот, а енергоємність гуміну зростає, у дерново-підзолистих та підзолисто-дернових ґрунтах – знижується енергоємність усіх груп гумусових речовин (табл. 3.).

Отже, внаслідок антропогенних змін рослинних угруповань відбуваються зміни функціонального стану едафотопів, які проявляються через зменшення вмісту та запасів енергії, зменшення теплотворної здатності гумусу. Всі ці зміни свідчать про послаблення ефективності трансформації енергії, посилення мінералізації гумусу та його фульватизації. Це призводить до втрат продуктивної здатності едафотопів вторинних екосистем.

Дигресія ресурсів органічної речовини едафотопу під впливом сільськогосподарського використання

Освоєння та подальше сільськогосподарське використання едафотопів басейну верхнього Дністра накладає значний відбиток на вміст, запаси та склад гумусу. Значно знижується вміст та запаси гумусу та відбувається перерозподіл груп та фракцій органічної речовини (див.табл. 2.). Так досліджені едафотопи ріллі містять у 2,2 – 4,9 рази менше гумусу, ніж їхні аналоги у первинних біогеоценозах. Запаси гумусу в шарі 0-20 см зменшуються у 1,5 – 4,1 рази. Такі зміни призводять до втрат енергоємності едафотопів вторинних біогеоценозів та до зниження запасів енергії, акумульованої органічною речовиною. Сільськогосподарське освоєння впливає і на перерозподіл органічної речовини по групах гумусових речовин, проте такі зміни не призводять до значного зниження теплотворної здатності гумусу едафотопів ріллі.

Таким чином, освоєння та подальше лісо- та сільськогосподарське використання едафотопів басейну верхнього Дністра призводить до значних змін складу та властивостей їх органічної речовини, і свідчить про потребу у охороні існуючих природних ландшафтів, як чинника збереження ґрунтового різноманіття регіону.

Таблиця 3.

Зміни енергетичних параметрів ґрунтів під впливом антропопресії

Зміни теплотворної здатності гумусу, Дж/г | Зміни вмісту

енергії в гумусі, Дж/г | Зміни запасів енергії,

106 кДж/га | Зміни енергоємності груп гумусових речовин, Дж/г

гумінові кислоти | фульвокислоти | гумін

Бурі гірсько-лісові ґрунти вторинних біогеоценозів

- 323* | - 536,5 | - 557,7 | - 440,3 | - 166,4 | + 70,2**

Дерново-підзолистий ґрунт вторинних біогеоценозів

- 419 | -116,5 | - 126,9 | - 0,8 | - 2,4 | - 113,3

Підзолисто-дерновий ґрунт вторинних біогеоценозів

- 149 | - 148,9 | - 395,6 | - 104,7 | - 38,2 | - 6,0

Сірий опідзолений ґрунт вторинних біогеоценозів

- 655 | - 121,3 | - 198,6 | - 131,2 | - 13,6 | + 23,5

Лучний ґрунт пасовищ

- 317 | - 126,9 | - 395,0 | - 158,4 | - 23,9 | +55,4

Бурий гірсько-лісовий ґрунт ріллі

- 47 | - 1628,2 | - 856,5 | - 1019,4 | - 543,5 | - 65,3

Дерново-підзолистий ґрунт ріллі

-540 | - 429,0 | - 949,5 | - 190,1 | - 62,4 | - 176,5

Підзолисто-дерновий ґрунт ріллі

+ 705 | - 612,4 | - 1309,1 | - 216,7 | - 120,4 | - 275,3

Сірий опідзолений ґрунт ріллі

+ 44 | - 390,0 | - 706,3 | - 244,5 | - 89,1 | - 56,4

Лучний ґрунт ріллі

- 85 | - 600,1 | - 1407,3 | - 430,1 | - 63,0 | - 107,0

Примітка: * - зниження значень енергетичних параметрів, в порівнянні з ґрунтами природних екосистем.

** - підвищення значень енергетичних параметрів, в порівнянні з ґрунтами природних екосистем.

Зміни енергетичних характеристик гумусу освоєних едафотопів. Освоєння едафотопів впливає не тільки на фізико-хімічні, а й на енергетичні властивості органічної речовини ґрунтів. зміни еколого-енергетичних параметрів едафотопів ріллі носять негативний характер і призводять до зменшення їх енергоємності. У всіх досліджених едафотопах ріллі втрати акумульованої енергії, у порівняні з едафотопами первинних біогеоценозів, становлять 55-80%, а у випадку ініціальних ґрунтів техногенних комплексів втрата енергоємності досягає 88%. причому таке зменшення більш ніж на 99% викликане зниженням кількості органічної речовини (рис. 4.).

а) б)

Умовні позначення:

- зміни енергоємності за рахунок зменшення вмісту гумусу;

- зміни енергоємності за рахунок змін якісного складу гумусу.

1 – бурі гірсько-лісові ґрунти вторинного букняка; 2 – бурі гірсько-лісові ґрунти вторинного смеречника; 3 – дерново-підзолисті поверхнево-оглеєні ґрунти вторинного грабняка; 4 – дерново-підзолисті глейові ґрунти вторинного грабняка; 5 – підзолисто-дернові ґрунти вторинного сосняка; 6 – сірі опідзолені ґрунти вторинного грабняка; 7 – лучні ґрунти пасовища; 8 – бурі гірсько-лісові ґрунти ріллі; 9 – дерново-підзолисті ґрунти ріллі; 10 – лучні ґрунти ріллі; 11 – ініціальні ґрунти техногенних комплексів; 12 – підзолисто-дернові ґрунти ріллі; 13 – сірі опідзолені ґрунти ріллі.

Рис. 4. Енергетична дигресія ґрунтів басейну верхнього Дністра під впливом лісогосподарського, пасовищного (а) та сільськогосподарського (б) освоєння

Проте слід відмітити, що у освоєних відмінах підзолисто-дернових та сірих опідзолених ґрунтів дещо зростає теплотворна здатність гумусу, за рахунок зменшення в його складі частки низькотеплоємної групи – фульвокислот.

На основі оцінок змін енергетичних параметрів едафотопів під впливом антропопресії, нами виділено 3 типи еколого-енергетичної дигресії едафотопів басейну верхнього Дністра: кількісна, якісно-кількісна та компенсаційна.

Кількісна еколого-енергетична дигресія – характеризується зменшенням енергоємності едафотопів більш ніж на 50%, у порівнянні з їх незміненими аналогами, причому таке зменшення викликане зниженням кількості органічної речовини у освоєних едафотопах (рис. 4.). До цього типу дигресії відносяться освоєні відміни бурих гірсько-лісових, дерново-середньопідзолистих та лучних ґрунтів, що використовуються в якості ріллі, а також ініціальні ґрунти техногенних комплексів.

Якісно-кількісна еколого-енергетична дигресія – характеризується зменшенням енергоємності органічної речовини едафотопів до 25%, у порівнянні з гумусом едафотопів первинних рослинних угруповань, причому частка втрат за рахунок змін якісного складу гумусу становить 4-25%. До цього типу дигресії відносяться бурі гірсько-лісові, дерново-середньопідзолисті поверхнево-оглеєні та глейові, підзолисто-дернові та темно-сірі опідзолені ґрунти вторинних лісових угруповань і лучні глейові ґрунти, що зазнають пасовищного навантаження.

Для компенсаційної еколого-енергетичної дигресії – притаманні зменшення енергоємності едафотопів та підвищення теплотворної здатності органічної речовини ґрунту. До цього типу дигресії відносяться освоєні відміни підзолисто-дернових та сірих опідзолених ґрунтів, що використовуються в якості орних земель.

Таким чином, проведені дослідження засвідчили значні зміни у вмісті, запасах та фракційно-груповому розподілі енергії органічної речовини всіх досліджених едафотопів під впливом їх освоєння та подальшого сільськогосподарського використання. На жаль, більша частина цих змін носить негативний характер і призводять до зменшення енергетичного потенціалу органічної речовини ґрунту, що в свою чергу веде до погіршення функціонального стану ґрунтів та до зменшення їх потенційної продуктивності. Для покращення функціонального стану освоєні едафотопи потребують значного збільшення надходження енергії, що можна досягти при внесенні оптимальних доз органічних добрив, які б компенсували відчуження речовини та енергії з зібраним врожаєм.

ОПТИМІЗАЦІЯ ЕКОЛОГО-ЕНЕРГЕТИЧНОГО СТАНУ едафотопів у біогеоценозах БАСЕЙНУ ВЕРХНЬОГО ДНІСТРА

Оптимізація еколого-енергетичного стану едафотопів вторинних лісів перш за все пов’язана з забезпеченням типового для корінних рослинних угруповань балансу речовини та енергії. Для досягнення цієї мети особливо актуальними, на нашу думку, є наступні заходи: екологічно виважена реконструкція вторинних лісів та відновлення на їх місці стійких, близьких за структурою та складом до корінних, мішаних лісів, використання системи вибіркових рубок, створення умов розвитку трав’яного покриву, вдосконалення технології лісорозробок.

Під час використання едафотопів ріллі басейну верхнього Дністра необхідним є створення сприятливих умов для процесів гумусоутворення і гумусонакопичення та наступної оптимізації функціонального стану на основі підвищення вмісту та запасів органічної речовини, збільшення її енергоємності та теплотворної здатності, покращення якісного складу гумусу тощо. Для цього, на нашу думку, особливо актуальними будуть наступні дії: оптимізація внесення органічних та мінеральних добрив, дотримання системи сівозмін, вапнування кислих ґрунтів, виведення з експлуатації та меліоративне заліснення сильнодеградованих, еродованих та низькопродуктивних сільськогосподарських угідь.

Техногенний пресинг зумовлює катастрофічне зниження енергоємності ґрунтів за рахунок зрізання верхніх гумусомістких горизонтів. Для пришвидшення відновлення еколого-енергетичного стану цих едафотопів до рівня їх попередників, на нашу думку, можуть бути такі заходи: конструювання ґрунтового профілю, фітомеліорація.

На жаль, всі вищеописані заходи не забезпечують збереження природних едафотопів у всьому їх різноманітті, з притаманними їм фізичними, хімічними, фізико-хімічними та еколого-енергетичними характеристиками. Це можливо лише за умов збереження природних ландшафтів з типовими умовами ґрунтоутворення, що не зазнали антропогенних змін. Таким чином, завдання збереження природного різноманіття виходить на проблему виділення модальних ґрунтів та створення Червоної книги ґрунтів регіону.

ВИСНОВКИ

Основні результати вивчення еколого-енергетичного стану едафотопів у біогеоценозах басейну верхнього Дністра та його змін, обумовлених антропогенним навантаженням є підставою до наступних висновків:

1. еколого-енергетична диференціація едафотопів у біогеоценозах басейну верхнього Дністра спричинена комплексом природних та антропогенних факторів і умов ґрунтоутворення та ідентифікується зміною енергетичних і кількісно-якісних характеристик органічної речовини типових едафотопів певних біогеоценозів.

2. едафотопи природних біогеоценозів різняться між собою кількістю гумусу та його якісним складом, що є передумовою їх енергетичних відмінностей. Досліджені едафотопи бурих гірсько-лісових ґрунтів вологої евтрофної смерекової бучини квасеницевої характеризуються дуже високим вмістом гумусу в складі якого переважають фульвокислоти та бурі гумінові кислоти, едафотопи дерново-підзолистих ґрунтів вологої мезотрофної грабової діброви ліщиново-зеленчукової – низьким вмістом органічної речовини в складі якого переважають гумінові кислоти та гумін, едафотопи підзолисто-дернових ґрунтів вологої евтрофної грабової діброви ліщиново-зеленчукової – середнім вмістом гумусу в складі якого переважають гумін та гумінові кислоти, едафотопи темно-сірих опідзолених ґрунтів вологої евтрофної діброви ліщиново-зеленчукової – середнім вмістом гумусу складеним переважно гуміновими кислотами, едафотопи лучних ґрунтів злаково-різнотравних заплавних лук – високим вмістом органічної речовини в складі якої значно переважають чорні гумінові кислоти.

3. різні групи гумусових речовин характеризуються відмінною теплотворною здатністю, проте для різних едафотопів теплота згорання однакових груп – подібна. Гумінові кислоти, у всіх обстежених едафотопах, при згоранні виділяють в середньому 20 кДж/г, фульвокислоти – 10 кДж/г, нерозчинний залишок (гумін) – 17 к Дж/г, тому визначення енергоємності едафотопів доцільно проводити враховуючи не тільки кількісні, але й якісні параметри їх органічної речовини.

4. для едафотопів бурих гірсько-лісових ґрунтів у природних біогеоценозах гірської частини басейну верхнього Дністра притаманні незначна теплотворна здатність гумусу і висока його енергоємність. Для едафотопів дерново-підзолистих, підзолисто-дернових та сірих опідзолених ґрунтів у природних рівнинних біогеоценозах характерні значна теплотворна здатність та середня енергоємність органічної речовини. В лучних едафотопах ґрунти природних лук володіють значною теплотворною здатністю та високою енергоємністю гумусу. Розподіл енергії свідчить про те, що найбільша частка енергії сірих опідзолених та лучних грунтів акумулюється у гумінових кислотах, тоді як у бурих гірсько-лісових значну роль у енергоємності поряд з гуміновими відіграють фульвокислоти, а у дерново-підзолистих та підзолисто-дернових - гумін.

5. визначені енергетичні параметри дозволили встановити 3 типи еколого-енергетичного стану едафотопів первинних рослинних угруповань, які різняться між собою за величиною енергоємності та теплотворної здатності органічної речовини. Виділено високоенергоємні едафотопи з незначною теплотворною здатністю органічної речовини, високоенергоємні едафотопи, зі значною теплотворною здатністю органічної речовини та середньоенергоємні едафотопи, зі значною теплотворною здатністю органічної речовини.

6. внаслідок заміни первинних лісових біогеоценозів вторинними, у всіх обстежених едафотопах відбувається незначне зменшення їх енергоємності, причому такі втрати викликані змінами не тільки кількісних, але й якісних параметрів органічної речовини.

7. Сільськогосподарське освоєння досліджених едафотопів у біогеоценозах басейну верхнього Дністра зумовлює погіршення ефективності трансформації речовини та енергії, що призводить до значних дигресійних змін їх енергетичних параметрів.

8. Дигресія енергетичних параметрів органічної речовини едафотопів басейну верхнього Дністра під впливом лісо- та сільськогосподарського освоєння ідентифікується у межах 3 типів: кількісна, кількісно-якісна та компенсаційна дигресії, які відрізняються за величиною втрат енергії та їх структурою.

9. Оптимізація еколого-енергетичного стану антропогенізованих едафотопів перш за все пов’язана з забезпеченням типового для корінних рослинних угруповань балансу речовини та енергії, створення сприятливих умов для процесів утворення та накопичення органічної речовини.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ НА ТЕМУ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Орлов О.Л. Еколого-енергетичний стан лучних ґрунтів басейну Верхнього Дністра // Наукові записки Держ. Природознавчого музею. – Львів, 2001. – 16. – С.167-175.

2. Орлов О.Л. Енергоємність гумусу як критерій гумусового стану ґрунтів // Вісник Львів. Ун-ту. Серія біологічна. – Львів, 2002. – 31. – С. 111-115.

3. Орлов О.Л. Енергетика гумусового блоку лісових екосистем Передкарпаття та Карпат // Науковий вісник УкрДЛТУ. – Львів, 2002. – 12.4. – С. 45-48.

4. Чорнобай Ю.М., Орлов О.Л. Еколого-енергетичний стан ґрунтів як похідна ландшафтного різноманіття басейну верхів’я Дністра // Наукові записки Держ. Природознавчого музею. – Львів, 2002. – 17. – С.175-178.

5. Орлов О.Л. Гумусовий стан бурих гірсько-лісових ґрунтів // Праці НТШ. Екологічний збірник. т. ХІІ. – Львів, 2003. – С. 360-364.

6. Орлов О.Л. Екоенергетична оцінка ґрунтового покриву у басейні верхів’я Дністра // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції: Національні природні парки: проблеми становлення і розвитку. – Яремче, 2000. – с.209-211.

7. Орлов О.Л. Енергія гумусових горизонтів ґрунтів у верхів’ї басейну Дністра// Наукові основи збереження біотичної різноманітності. Вип. 2. – Львів: Ліга-Прес, 2000. – с.47-50.

8. Орлов О.Л., Чорнобай Ю.М. Екоенергетичні критерії виділення модальних ґрунтів // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції: Розточанський збір-2000. – Львів: Меркатор, 2001. – с.137-140.

9. Орлов О.Л. Енергія органічної речовини природних, окультурених та ініціальних ґрунтів басейну верхів’я Дністра // Наукові основи збереження біотичної різноманітності. Вип. 3. – Львів: Ліга-Прес, 2001. – с.146-150.

10. Орлов О.Л. Еколого-енергетична диференціація бурих гірсько-лісових ґрунтів Сколівських Бескидів // Матеріали міжнар. конференції “Гори і люди”. – Рахів, 2002. – С.428-431.

11. Орлов О.Л. Антропогенні зміни гумусового стану сірих опідзолених ґрунтів басейну верхів’я Дністра // Наукові основи збереження біотичної різноманітності. Вип.4. – Львів: Ліга-Прес, 2003. – С. 212-216.

12. Орлов О.Л. Еколого-енергетична диференціація ґрунтів басейну верхнього Дністра // Матеріали наук. конфер. “Біорізноманіття. Екологія. Еволюція. Адаптація.”. – Одеса, 2003. – С. 117.

13. Орлов О.Л. Эколого-энергетическая оценка модальных почв верхнего Днестра // Тезисы докл. школы-конференции “Биология - наука ХХІ века”. – Пущино, 2003. – С. 417.

14. Орлов О. Вплив техногенезу на гумусовий стан ґрунтів басейну Верхнього Дністра // Тези доп. конференції “Екологічні проблеми міст і промислових зон: шляхи їх вирішення” – Львів: СПОЛОМ, 2003. – С. 209-211.

15. Орлов О.Л., Вовк О.Б. Перспективи збереження ґрунтового різноманіття басейну