Одним із самих актуальних питань у рамках програми стійкого розвитку регіонів України, є керування екологічними процесами в локальних, регіональних і глобальних масштабах [4]. Фізичний стан природних об'єктів і рівень матеріально-енергетичного обміну в них є визначальними в оцінці здатності екосистем виконувати природоохоронні функції - постійно відновляти здатність природних екосистем до продукування і відтворення органо-мінеральної речовини через біогенну міграцію хімічних елементів. Вивчення процесів міграції і масообміну хімічних елементів, що зв'язують у єдине ціле навколишнє середовище і живі організми, є теоретичною основою для комплексних біосферних досліджень і здійснення моніторингу. Рішення особливо актуальних проблем навколишнього середовища вимагає вивчення динаміки органо-мінеральної речовини в техногенно-навантажених регіонах. Отже, практичні потреби диктують необхідність докладного дослідження питання. Теоретичні та методологічні засади даних процесів, які здійснюються у біогеоценозах розроблені в працях В.І. Вернадського, Б.Б. Полинова, Д.М. Прянішнікова, В.М. Сукачова, М.П. Ремезова, Л.Є. Родіна, Н.І. Базилевіч.

Мета даного аналітико-експериментального дослідження полягає у виявленні особливостей органо-мінеральної речовини у культурбіогеоценозах, які знаходяться на техногенно навантажених територіях Степового Придніпров'я. Підґрунтям цієї роботи є системний підхід з використанням загальноприйнятих методів біогеоценологічних досліджень.

Уся різноманітність проявів життя супроводжується перетвореннями енергії. Потоки енергії Сонця (більш широко - космосу) і діяльність живих організмів служать рушійними силами біологічних кругообігів, що призводять до переміщення величезних мас хімічних елементів, концентруванню і перерозподілу акумульованої в процесі фотосинтезу енергії. Звичайно енергію визначають як здатність здійснювати роботу. Відповідно до Першого закону термодинаміки, енергія може переходити з однієї форми в іншу, але не створюється заново і не зникає. Найважливіша термодинамічна характеристика організмів, біогеоценозів і біосфери в цілому - здатність створювати і підтримувати високий рівень внутрішньої упорядкованості, тобто стан з низькою ентропією [1]. Система має низьку ентропію, якщо в ній відбувається безупинне розсіювання енергії, яка легко використовується (наприклад, енергія світла чи їжі) і перетворення її в енергію, яка використана з працею (наприклад, у теплову). Упорядкованість екосистеми, тобто складна структура біомаси, підтримується за рахунок подиху всього угруповання, що як би “відкачує зі суспільства невпорядкованість" [7]. Другий закон термодинаміки, що трактує про розсіювання енергії, зв'язаний із принципом стабільності. Відповідно до цієї концепції будь-яка природна замкнута екосистема з минаючим через неї потоком енергії схильна розвиватися убік стійкого стану й у неї виробляються саморегулюючі механізми. У випадку короткочасного впливу на екосистему ззовні ці механізми забезпечують повернення до стабільного стану. Коли стійкий стан досягнутий, перенос енергії звичайно йде в одному напрямку і з постійною швидкістю [7,15]. У екосистемі відношення загального дихання співтовариства до його сумарної біомаси можна розглядати як відношення витрат енергії на підтримку життєдіяльності до енергії, укладеної в структурі, чи як міру термодинамічної упорядкованості. Чим більше біомаса, тим більше витрати на підтримку упорядкованості.

Первинна продуктивність (“первинна продукція”) - це швидкість, з яким енергія Сонця засвоюється організмами-продуцентами (головним чином зеленими рослинами) у процесі фотосинтезу, накопичуючи у формі органічної речовини. Валова первинна продуктивність (“валова первинна продукція”, “валовий фотосинтез”, “загальна асиміляція”) - це загальна кількість синтезованих у процесі фотосинтезу органічної речовини, включаючи ту органіку, що за час вимірів була витрачена на дихання. Чиста первинна продуктивність (“чиста первинна продукція”, “ фотосинтез, що спостерігається,”, “чиста асиміляція”) - швидкість нагромадження органічної речовини в рослинах за винятком тієї органічної речовини, що використовувалась при диханні рослин за досліджуваний період (звичайно за вегетаційний період чи за рік). Продукцію завжди відносять до визначеної одиниці часу. За наявністю біомаси можна тільки побічно судити про продуктивність. Біомаса - це сумарна маса особин виду, групи чи видів суспільства організмів, що виражається в одиницях маси сухої чи сирої речовини, віднесених до одиниць площі чи обсягу будь-якого місцеперебування (кг/га, г/м², г/м³, кг/м³ і ін.), тобто це вся жива органо-мінеральна маса, що міститься в біогеоценозі чи окремих його компонентах поза залежністю від того, за який період часу вона утворилася і нагромадилася. Для виявлення зв'язку між потоком енергії в екосистемі і середньою біомасою, останню можна виражати в одиницях енергії (джоулях) на визначену поверхню.

Відношення біомаси до продуктивності характеризує час обороту (заміщення) біомаси продуцентів. Для лісових біогеоценозів час обороту виміряється роками, навіть якщо вважати “продуцентами" тільки зелені листя, маса яких складає 1-5% усієї біомаси лісу [9,12].

Біологічна продуктивність - один з найважливіших проявів біотичного кругообігу речовин. На відміну від речовини, яка виходе в неорганічне середовище і знову надходить у живі організми необмежену кількість разів, енергія використовується для роботи тільки один раз. Тому потік енергії в ряді послідовних трофічних рівнів знижується. У кожній ланці трофічного ланцюга деяка частина спожитої їжі не засвоюється, із засвоєної їжі менша частина йде на приріст чи продукцію, а інша - на енергетичний обмін. Продукція кожного наступного трофічного рівня звичайно в 5-10 разів менше продукції попереднього [7]. Чім довше харчовий ланцюг, тим менше продукція її кінцевих ланок. У біогеоценозах не тільки продукція, але і біомаса зменшуються від одного рівня до наступного.

На визначеній території потік енергії створює чітко визначену трофічну структуру, видову розмаїтість і біогенний кругообіг елементів. З погляду трофічних відносин біогеоценоз має два компоненти, що частково розділені в часі і просторі. Це - автотрофні і гетеротрофні організми. Для перших характерна фіксація світлової енергії, використання простих неорганічних речовин і синтез складних органо-мінеральних речовин; для других - утилізація, трансформація і розкладання складних органо-мінеральних речовин. Кругообіг елементів у природних співтовариствах відбувається завдяки тому, що вони включають організми з різним типом харчування, що утворюють трофічні ланцюги. Первинну продукцію (фітомасу) споживають рослиноїдні тварини, якими харчуються тварини наступного трофічного рівня. Біомаса у відмерлому виді служить джерелом енергії для тварин - сапрофагів, грибів і мікроорганізмів - чи деструкторів редуцентів. Деякі елементи (наприклад, важкі метали, радіонукліди, пестициди та ін.) у міру просування по ланцюзі харчування не розсіюються, а, навпаки, нагромаджуються, концентруються.

Завдяки фотосинтезу і безупинно діючим біогенним кругообігам елементів створюється стійка організованість біосфери Землі, здійснюється її нормальне функціонування. Природні (непорушені) біогенні цикли елементів не є замкнутими, хоча ступінь оборотності річних циклів найважливіших біогенних елементів досягає 95-98% [7]. Незамкнутість - одне з найважливіших властивостей біологічних кругообігів, що має планетарне значення. За всю історію розвитку біосфери частка речовини, що виходить з біосферного циклу (тривалістю від десятків і сотень до декількох тисяч років) у геологічний цикл (тривалістю в мільйони років), обумовила біогенне нагромадження кисню й азоту в атмосфері, різних хімічних елементів у земній корі [6,7].

Цикли біологічної міграції біогенних елементів і важких металів тісно пов'язані між собою. Поглинання металів регулює приріст рослинної маси, а синтез органо-мінеральної речовини здійснює забезпечення матеріалом, у який включаються ці елементи. Знаючи кількість рослинної біомаси і зміст визначеного елемента в ній, можна визначити річне поглинання елемента рослинами. З загальної кількості елемента, який поглинається протягом року рослинами на одиниці площі, частина віддаляється протягом того ж року шляхом евапотранспірації і вимивається атмосферними опадами. У рослинній масі залишається кількість елемента, що включена та яка розподіляється між щорічним збільшенням біомаси (приростом) і щорічними втратами сухої маси з опадом і в результаті відчуження.

Між рослинами і ґрунтом існує кругообіг елементів, що у значній мірі замкнутий. Елемент, якій поглинається рослиною, прямим шляхом чи через трофічні ланцюги повертається в ґрунт як частка органо-мінеральної речовини. У ґрунті ця речовина мінералізується в ході хімічних, фізичних, фізико-хімічних і біологічних процесів. Вирішальною фазою в циклі біогенної міграції елементів у біогеоценозі є механізм зворотного руху - повернення. Важливо, щоб органо-мінеральний опад залишався в біогеоценозі. Елементи, що містяться в ньому, складають резерв, що може використовуватися в наступних циклах. При видаленні опада з біогеоценозу цей резерв утрачається. Повернення елемента в кругообіг у степах, лісах помірної зони й інших співтовариств йде головним чином шляхом розкладання детриту сапрофагами, грибами і мікроорганізмами, а також шляхом автолізу. Як указують Л.Е. Родін і Н.И. Базилевич [14], відносна величина опаду від загальної кількості біомаси може служити показником планетарної ролі різних рослинних угруповань як акумуляторів речовини та енергії.

Мінералізація і синтез органічної речовини - процеси спряжені. Там, де розкладання підстилки йде занадто повільно, швидкість приросту рослин знижується. При високій інтенсивності мінералізації елементи, яки включені в органо-мінеральну речовину, швидко вивільняються і знову вступають у круговорот. При цьому рослини краще забезпечуються необхідними елементами і можуть синтезувати більшу кількість біомаси. Однак рясне вивільнення елементів чи знижене поглинання їх рослинами негативно позначається на кругообігу елементів.

Біогенні цикли (кругообіги) найчастіше порушуються в результаті невідповідності між кількістю речовин, що поставляються в середовище, і можливостями організмів по їхньому розкладанню або концентруванню. У результаті людської діяльності нагромадження речовин досягає настільки значних обсягів, що навіть речовини, які легко руйнуються, що, наприклад, містяться в побутових стоках і є шкідливими відходами, довгий час не включаються до кругообігів, а речовини, яки невідомі організмам-деструкторам, - ще більш тривалий час не беруть участь у них.

Рослинність - основний об'єкт, якій створює органо-мінеральну речовину за допомогою сонячної енергії, та якій вступає в процесі життєдіяльності до обміну з середовищем. Біомаса, синтезована в процесі фотосинтезу, служить самим головним пусковим механізмом біогенної міграції різних хімічних елементів. Основними кількісними ознаками, що характеризують утворення і міграцію органо-мінеральної речовини, а, отже, і окремі ланки і біогенну міграцію в цілому, є: кількість біомаси, річного та чистого приросту (продукції), річного опаду та підстилки [14].

На досліджуваних територіях інтенсивність приросту біомаси надземної частини деревостану коливалася від 0,07 до 0,12 т/га в день, на протязі періоду вегетації, якій дорівнює 170 дням. На території контрольного культурбіогеоценозу досягала максимуму. У середньому в умовах техногенного навантаження інтенсивність продукування органо-мінеральної речовини в день була на 37 % менш, ніж в умовах сільської місцевості.

Для порівняння продуктивності окремих фітоценозів необхідно визначити швидкість оборотності біомаси, за умови, що система знаходиться в стані динамічної рівноваги, тобто знайти відношення продукції фітоценозу до його загальної біомаси за визначений час (у даному випадку - за рік) [7,11,17]. Часу для оборотності живої біомаси, якій необхідний для повної зміни маси живої речовини в даному компоненті екосистеми, на техногенно навантажених територіях потрібно більше, ніж в умовах сільської місцевості.

Оскільки величина чистої продукції (чистого приросту) визначається рівнем (інтенсивністю) фотосинтезу, що у свою чергу залежить від біомаси зелених асимілюючих частин рослини (як і від багатьох інших факторів), для досліджуваних площ насаджень нами встановлена закономірність - чим більше біомаса листів, тим більше величина біомаси приросту деревини.

Кількість запасу опада у насадженнях коливалася від 15,5 до 35 т/га, й в сільській місцевості була в 1,7 рази вище, ніж в умовах техногенного навантаження. Цьому можна знайти кілька пояснень:

1. Унаслідок мікрокліматичних особливостей великого промислового міста [16], дерева, що виростають тут, менше ушкоджуються в результаті несприятливих погодних умов - посухи, заморозків, зледеніння, снігопаду, вітру і т.д. У сільській місцевості вплив цих метеорологічних факторів виражено більш різко, наслідком чого є збільшення кількості сухостою і сухих гілок, що легко обпадають.

2. У сільській місцевості, як правило, практично відсутній догляд за зеленими насадженнями (проріджування, полив, збирання труску, спилювання і збирання сухостою і сухих гілок і т.п.), якій здійснюється відповідними службами міського комунального господарства. Старі дерева і дерева з великою кількістю сухих гілок у місті спилюються, тому що вони псують вигляд міста і небезпечні при випадковому падінні.

Характерно, що відносна частка опаду дуже близька до відносної частки приросту. Спряженість цих величин, мабуть, порозумівається тим, що і приріст і опад на 50-70% формуються за рахунок зеленої частини, кількість якої практично не змінюється [12,13]. Кількість органо-мінеральної речовини, що утримується в угрупованні, тобто чистий приріст (продукція), залежить від співвідношення біомаси й опаду. Відношення кількості опаду до загальної кількості біомаси може служити показником планетарної ролі різних рослинних угруповань як акумуляторів речовини й енергії [3]. Розрахунок відношення опаду до біомаси надземної частини показав, що в біогеоценозах міста воно в середньому дорівнювало 1,5 %, у біогеоценозах сільської місцевості - 5,5 % (рисунок 1). Це значить, що в біогеоценозах сільської місцевості залишається в 3,7 рази більше органо-мінеральної речовини, чим у місті.

Рисунок 1 - Відношення маси опаду до біомаси надземної частини біогеоценозів, що досліджувалися

Іншою формою акумуляції речовини й енергії в біогеоценозі є мертві органо-мінеральні залишки у виді підстилки (листовому опаду належить найбільш суттєва роль у формуванні підстилки). Нагромадження підстилки в біогеоценозі свідчить про низький рівень процесів розкладання органо-мінеральної речовини, тобто про уповільнене вивільнення енергії [2,10]. Відношення кількості підстилки до кількості опаду - опадо-підстилковий коефіцієнт (ОПК), кількісно характеризує цю ланку циклу біогенної міграції [5,8]. Для контрольного біогеоценозу, ОПК у 1,5 рази більш, ніж для міських. Для біогеоценозів, розташованих у межах міста, цей коефіцієнт розрахований не по повному, а по залишеному опаду, якій остався після збирання. Якщо ж його розрахувати по повному опаду, то величина опадо-подстилкового коефіцієнта була б ще менше (у середньому в 2 рази менше, а в порівнянні з контролем - у 4 рази менше). Однак, для міських умов ОПК не відбиває реального положення справ, оскільки маса опаду залежить не від природних екологічних факторів, а від рівня втручання антропогенного фактора. Таким чином, у місті під впливом антропогенної діяльності порушується нормальне (природне) співвідношення між двома ланками біологічного кругообігу - “опадом" і “підстилкою”, а, також, і весь цикл міграції в цілому.

Основна частина органо-мінеральної речовини білоакацієвих насаджень приходиться на деревину, змінюючись у межах від 53 % до 67 % і в середньому складаючи в місті 60 %, а в сільській місцевості - 54 %. Процентний вміст біомаси листя коливався від 0,5 % до 1,2 % (у місті - у середньому 0,79 %, а в сільській місцевості - 0,73 %). Сумарна частка листів, ауксибластів і плодів складала ледве більш 1 % і в міських і в сільських культурбіогеоценозах. Істотну частину органо-мінеральної маси в біогеоценозах складали кора (від 7,8 % до 11 %) і гілки (від 17,7 % до 26,7 %). У міських насадженнях їхній відсоток у середньому складав - 11 і 22 %, в умовах сільської місцевості - 7,8 і 22 % відповідно. Маса опаду стосовно всієї маси органо-мінеральної речовини в біогеоценозах міста складала в середньому 3,2 %, а в сільській місцевості - 3,7 %. Частка підстилки складала відповідно 2,4 % і 11,6 %. Процентний вміст підстилки у біогеоценозах коливався від 1,4 до 12,2 %.

Протягом року маса органо-мінеральної речовини в біогеоценозі помітно варіює. У зимово-весняний період (січень - квітень) маса органо-мінеральної речовини в біогеоценозі мінімальна і представлена сумою маси деревини, кори, гілок і підстилки. Весняний і літній періоди - період вегетації. Весняно-літній період характеризується середнім вмістом органо-мінеральної речовини. В осінній період кількість органіки максимальне і складається із суми запасів деревини, зелених фотосінтезуючих органів і підстилки. Осінньо-зимовий період характеризується ледве меншим змістом органо-мінеральної речовини, що включає опад.

Показники, що характеризують біомасу і продуктивність біогеоценозів, дають можливість оцінити і порівняти культурбіогеоценози, що знаходяться під інтенсивним впливом техногенного навантаження, з біогеоценозами, що не випробують такої сили впливу антропогенної діяльності.

Таким чином, на підставі проведених польових і лабораторних досліджень білоакацієвих культурбіогеоценозів нами визначені основні показники, що характеризують: процеси синтезу - біологічна продуктивність дерев, а саме, біомаса приросту надземної частини, щирого приросту (чистої продукції); нагромадження - біомаса білої акації і її структурних частин - листя, ауксибластів, плодів, гілок, кори, деревини, надземної частини дерев білої акації; розкладання - маса мертвої органо-мінеральної речовини, а саме, річного опаду і підстилки. Було виявлено, що в штучних насадженнях території з інтенсивним антропогенним навантаженням, показники нижче, ніж у культурбіогеоценозах, яки розташовані у сільській місцевості

Продуктивність, як критерій, що орієнтований на вивчення стану біологічних угруповань у цілому, біомаса і маса мертвих залишків є традиційними критеріями біологічного моніторингу і можуть бути використані при створенні міської системи екологічного моніторингу й удосконалення і розвитку регіональної комплексної системи екомоніторингу.

біогеоценоз штучний антропогенний фактор

Перелік посилань

1. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: Рольф, 2002. - 576 с.

2. Добровольский В.В. Гипергенез четвертичного периода. - М.: Недра, 1966. - 238 с.

3. Добровольский В.В. Основы биогеохимии: Учебник для ВУЗов. - М.: Издательский центр “Академия”, 2003. - 400 с.

4. Екологічний потенціал наземних екосистем / Під ред. Голубця М.А. - Львів: Поллі, 2003. - 180 с.

5. Кучерявий В.П. Екологія. - Львів: Світ, 2001. - 500 с.

6. Лархер В. Экология растений. - М.: Мир, 1978. - 384 с.

7. Одум Ю. Основы экологии. - М.: Мир, 1975. - 740с.

8. Пейве Я.В. Микроэлементы и ферменты. - Рига: Изд-во ЛатвССР,

9. Попов В.П., Попова О.С. Формирование полезащитных насаждений. - Новосибирск: Наука, 1980. - 144 с.

10. Ремезов Н.П., Быкова Л.Н., Смирнова К.М. Потребление и круговорот азота и зольных элементов в лесах Европейской части СССР. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1959. - 284 с.

11. Риклефс Р. Основы общей экологии. - М.: Мир, 1979. - 424 с.

12. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара. - Л.: Наука, 1965. - 252 с.

13. Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах - Л.: Наука, 1967. - 145 с.

14. Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах - Л.: Наука, 1967. - 145 с.

15. Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояние экосистем / Под ред. Б.В. Виноградова. - М.: Наука, 1981. - 256 с.

16. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - 520 с.

17. Ricklefs H. Ecology. - New York: Freeman and company, 1990. - 520 p.

Размещено на Allbest.ru