Assessment of ecosystem functions of urban forests in terms of soil and trees

Full Text

Введение Изучение городов как своеобразных экологических систем остается актуальной проблемой современной науки. В настоящее время все большее число городских лесов получают статус городских особо охраняемых территорий, что свидетельствует о признании важности природных комплексов для урбанизированных территорий [1]. По нашему мнению, изучение структурной организации городских лесов как естественно сохранившихся зеленых каркасов, а также механизмов взаимообусловленного функционирования древесных растений и почв позволяет адекватно определять устойчивость урбоэкосистемы к антропогенному воздействию (техногенное загрязнение и рекреационная нагрузка). При этом необходимым и важным направлением городской экологии должно быть обеспечение сохранности этих уникальных экологических систем. Одним из перспективных направлений природоохранной деятельности на глобальном, региональном и местном уровнях является оценка экосистемных функций/услуг природных комплексов, которая становится в последнее время неотъемлемой частью зеленой политики и устойчивого развития общества [2]. До настоящего момента на урбанизированных территориях Приангарья не проводились комплексные экологические исследования естественно сохранившихся лесов, образующих зеленый каркас городов. В регионе основными негативными факторами, оказывающими воздействия на городские леса, служат высокая рекреационная нагрузка и техногенное загрязнение [3; 4]. Для улучшения экологической ситуации крайне необходимо помимо сокращения объемов техногенных выбросов и снижения уровня рекреационной нагрузки разрабатывать научно обоснованные подходы улучшения состояния древесных насаждений и почв - средообразующих компонентов городских лесов, играющих важнейшую роль в оздоровлении окружающей среды. Концепция сохранения городских лесов, как естественных экосистем урбанизированных территорий, должна служить основой устойчивого природопользования в регионе. В этом плане важным является получение информативных данных об экосистемных функциях городских лесов Приангарья в условиях техногенного загрязнения и рекреационной нагрузки, поскольку они позволяют оценить, в какой мере реализуема возможность оптимизации городской среды. Этим определяется основная цель исследования - по полученным данным очищения воздушной среды городов путем накопления и детоксикации техногенных загрязнителей почвенным покровом, поглощения и накопления токсикантов в хвое и листьях деревьев, выявить особенности трансформации природной среды в изучаемых урбоэкосистемах и оценить экосистемные функции зеленых насаждений и почв. Методы и материалы Обследованы городские леса на урбанизированных территориях Иркутской области, Восточная Сибирь (города Иркутск, Ангарск, Усолье-Сибирское) в условиях разного уровня воздействия негативных факторов окружающей среды - рекреационной нагрузки и атмосферного загрязнения, приводящих к экологическому нарушению природных процессов. Полевой этап работ выполнен в июле-августе 2019-2021 гг. В сосново-березовых лесах, которые располагались в черте застроек и на окраинах городов, проводилась закладка пробных площадей (ПП). Всего было заложено 27 ПП на естественных серых лесных почвах с ненарушенной морфологией почвенного профиля, которые приурочены к одному почвенному округу Иркутско-Черемховской равнины. При описании растений и почв на ПП руководствовались Международной методикой ICP Forests. Фоновые ПП закладывались в сосновых лесах на расстоянии 80 км и более от городов, эти территории характеризуются относительно здоровым состоянием древостоев и ненарушенным почвенным покровом, всего было заложено три фоновых ПП. На каждой ПП были проводили исследования состояния воздушной среды, подвергающейся воздействию комплекса загрязнителей. С помощью мониторов качества атмосферного воздуха (Air Master 2 AM7; Wintact WT8811; DM126-NH3) определялась общая концентрация летучих органических соединений, диоксида серы, аммиака, содержание углекислого газа и кислорода. При исследовании древостоев (сосны обыкновенной, лиственницы сибирской, березы повислой) фиксировались основные их лесотаксационные характеристики (тип леса, состав древостоя, полнота древостоя, сомкнутость крон), проводились геоботанические описания, определялся уровень деструкции лесной подстилки. На всех ПП с 5-6 деревьев отбирались пробы хвои сосны и лиственницы, листьев березы. В лабораторных условиях проводилось определение содержания в ассимиляционных органах элементов-биогенов и накопление элементов-поллютантов [5; 6]. Для отбора образцов серых лесных почв на каждой ПП закладывали разрезы до глубины подстилающей породы. Название типа почв и индексов горизонтов устанавливалось в соответствии с единым государственным реестром почвенных ресурсов России [7]. Почвенный профиль представлен совокупностью горизонтов: AО - A1 - A2 - A2В - B1 - B2 - BC - C, в нем выделяются зоны органической (лесная подстилка), гумусовой и элювиально-иллювиальной аккумуляции веществ. Показатели почв, свидетельствующие о детоксицирующей способности, определялись по комплексу кислотноосновных, катионообменных, гумификационных свойств почв [8]. Активность миграции поллютантов и элементов-биогенов в системе почвенного профиля оценивали с помощью лизиметров (AQUAMETER ECO, модель Е), которые помещались на разную глубину (рис. 1). Рис. 1. Вид расположения лизиметров в глубине почвенного профиля / Figure 1. View of the location of lysimeters in the depth of the soil profile Элементный химический состав растений и почв определялся методами пламенной фотометрии, атомно-абсорбционной спектрофотометрии, фотоколориметрирования с использованием приборного парка Байкальского аналитического центра (ЦКП) ИНЦ СО РАН по сертифицированным методикам, в частности AAS Vario 6 (Analytik Jena AG, Германия), спектрофотометр Spectrum One FT-IR, (PerkinElmer Life and Analytical Sciences, США), Agilent 6890/5973 GC/MSD System (Agilent Technologies, США). Полученный массив данных подвергался статистическому и корреляционному анализу («Среда статистических вычислений R» и ее использование в Data Mining). Результаты исследования и их обсуждение При натурном обследовании установлено, что наибольшее распространение в городских лесах Приангарья имеют сосняки разнотравные с примесью березы, а также березняки разнотравные и папоротниковые. Древостои сосны чаще всего одноярусные, средневозрастные (50-70 лет), средние по высоте (16-25 м), не густые (полнота 0,3-0,4). В комлевой части стволов деревьев представлены единичные группировки лишайников и мхов. Подрост образован мелколиственными породами. Кустарниковый ярус редкий, его образуют Crataegus sanguinea Pallas, Rhododendron dauricum L., Rosa acicularis Lindley, Sambucus sp. Обнаружено, что в городских лесах часто встречаются ослабленные деревья со всевозможными механическими повреждениями, которые способствуют увеличению распространения фитопатогенов. Натурные обследования показали, что у деревьев березы листья поражаются возбудителями Gloeosporium betulae, Microsphaera betulae, а на деревьях сосны часто наблюдается пожелтение хвои, вызванное различными видами микромицетов (например, Lophodermium pinastri). В травостое видами-доминантами являются Carex sp., Poa pratensis, Trifolium pretense, Ranunculus sceleratus, Polygonum aviculare, Achillea millefolium, Plantago depressa, Carum carvi, Phleum pretense. Отличительной особенностью городских лесов является сохранение естественных почв, антропогенные нарушения в которых затрагивают только верхние гумусовые горизонты до глубины 10 см. При этом на всех ПП для почвенных разрезов характерны общие генетические особенности. Так, верхний гумусово-элювиальный горизонт А2 светло-серого цвета, комковатозернистой структуры, плотноватый с обильным включением корней растений и постепенной границей перехода по окраске и плотности в нижележащий горизонт. Под гумусовым слоем в профиле присутствует переходный горизонт A2В серого цвета, комковатой структуры со специфичной по минералогическому составу белесо-палевой присыпкой. Далее располагается среднесуглинистый текстурный горизонт В2 ржаво-бурого цвета, что свидетельствует о наличии элювиально-иллювиального процесса, нижние почвообразующие горизонты ВС и С более светлой окраски, слабо структурированные, на глубине их залегания обнаруживаются карбонаты. Способность почвы выполнять экосистемную функцию в первую очередь связана с процессами перераспределения биогеохимических потоков элементов и их соединений в экосистеме. При этом универсальными критериями экологической оценки природной среды, отвечающими за миграцию веществ, служат кислотно-щелочные условия среды и емкость почвеннопоглощающего комплекса (ППК) [9]. В частности, эти показатели играют важнейшую роль в поглощении атмосферных загрязнителей, регулировании их потока в почвенном профиле и формировании устойчивости к антропогенному воздействию экосистемы в целом. В городских лесах Приангарья изучались изменения уровня кислотно-щелочного баланса среды параллельно в нескольких компонентах лесной экосистемы: травяном покрове (надземная и подземная биомасса), лесной подстилке, горизонтах почвенного профиля, ассимиляционных органах деревьев: хвое сосны, лиственницы, листьях березы. Показано, что в городских лесах, подверженных высокой рекреационной нагрузке и загрязнению атмосферного воздуха, обнаруживается сдвиг реакции среды почвенных растворов и гомогенатов растений в сторону щелочных значений. Ранее нами также было зарегистрировано увеличение щелочности почв и лесной подстилки на урбанизированных территориях [10]. Так, в городских лесах увеличение актуальной кислотности органической подстилки может достигать значений рН(водн) 8,25 при фоновых значениях рН(водн) 5,70, для гумусовых горизонтов рН(водн) изменяется от 5,20 до 8,10, для гомогенатов хвои и листьев деревьев - от 4,10 до 5,50. Такие результаты могут свидетельствовать о поступлении щелочных аэровыбросов на поверхность почвы, травяной покров и в кроновое пространство деревьев, а также о негативном воздействии их химического состава на биогеохимические процессы. Установленные корреляционные связи (r = 0,85-0,98, n = 78) между показателями актуальной кислотности почвенных растворов и гомогенатов лесной подстилки, травяного покрова, хвои (листьев) деревьев свидетельствуют о взаимосвязанном нарушении кислотно-щелочного баланса под действием урбоэкосистемы. Нарушение кислотно-щелочных условий в почвах приводит к изменению содержания обменных катионов (К+, Na+, Ca2+, Мg2+) в ППК. Изучение подвижных форм элементов-биогенов в ППК свидетельствует об изменении их соотношений [К+ : Na+ : Ca2+ : Мg2+] и увеличении общей суммы - ∑[К+, Na+, Ca2+, Мg2+] в сравнении с фоном. При этом содержание органического вещества в почвах городских лесов не является определяющим фактором (r ≤ 0,35) катионообменной активности почв, как это установлено для фоновых территорий. В городских условиях одним из определяющих факторов загрязнения почв выступает увеличение доли щелочных катионов. Так, исследования показали, что в городских лесах с высокой рекреационной нагрузкой дисбаланс в составе ППК определяется значительным увеличением обменного натрия, содержание которого может достигать более 6 мг/кг×102. При этом в составе обменных катионов происходит химическое замещение кальция и магния на натрий в обменно-поглощенном состоянии. Увеличение обменного натрия в почвенном растворе приводит к выраженным морфологическим изменениям в профиле серых лесных почв. На поверхности почв под лесной подстилкой наблюдается образование плотного белесо-серого слоя, а в нижележащих горизонтах отмечаются солевые потеки и линзы. Проведенные исследования показали, что в условиях минерализации гумуса наблюдается активная миграция лабильных гумусовых кислот вниз по профилю, выщелачивание органического вещества и усиление соленакопления при протекании элювиального почвообразовательного процесса. Установлено, что в почвах городских лесов наблюдается значительное увеличение содержания кальция и серы, которые образуют в почвах гипс и изменяют морфологический облик почвенных разрезов. Этот факт свидетельствует о том, что поступающие с техногенными выбросами на поверхность почвы сульфаты вступают в активное химическое взаимодействие с обменными ионами кальция, входящими в ППК. При этом наибольшая сорбционная способность кальция и серы наблюдается в условиях подщелачивания почвенного раствора. Для фоновых почв достоверная сопряженность связи между содержанием подвижной серы и обменных катионов не выявлена. Полученные результаты установили, что изменение состава обменных катионов ППК и нарушение кислотно-щелочного баланса определяют накопление и миграцию тяжелых металлов (ТМ) и элементов-токсикантов (серы, хлора, фтора) в почвах. На городских территориях Приангарья в серых лесных почвах обнаружено активное перемещение и накопление подвижных форм загрязняющих элементов во всех генетических горизонтах: AО - A1 - A2 - A2В - B1 - B2 - BC - C (рис. 2). Рис. 2. Миграция сульфатов в профиле серых лесных почв (розовыми кружками показана концентрация серы в городских почвах, зелеными - в фоновых почвах) / Figure 2. Sulfate migration in the profile of gray forest soils (pink circles show sulfur concentration in urban soils, green circles - in background soils) Полученные результаты свидетельствуют, что уровень загрязнения городских почв ТМ определяется двумя основными педохимическими процессами - аккумуляцией в гумусовых горизонтах и вертикальной миграцией по почвенному профилю. Обнаружено, что содержание ТМ в лесной подстилке и гумусовых горизонтах почв Иркутска может максимально превышать фоновые значения свинца - до 34 раз, меди - до 23, цинка - до 18, кадмия - до 14 раз. В лесных почвах городов Ангарска и Усолья-Сибирского превышения фоновых концентраций примерно одинаковы и составляют для вышеперечисленных ТМ 28, 17, 14 и 8 раз соответственно. На примере проведенных лизиметрических исследований миграции свинца и кадмия в почвенной толще серых лесных почв Усолья-Сибирского показано их высокое накопление в гумусово-аккумулятивных горизонтах и интенсивное иллювиальное перераспределение с глубиной. Так, в верхних горизонтах A1, A2, A2В городских лесов на окраине города содержание свинца и кадмия превышает фоновый уровень в 7-10 раз. В нижележащем иллювиальном горизонте В1 почвенного профиля концентрация элементов уже снижается до 4-6 раз относительно накопления в верхних гумусовых горизонтах, а в текстурном горизонте В2 концентрация ТМ снова возрастает в сравнении с вышележащим органо-минеральным A2В и минеральным B1 горизонтами. Этот процесс объясняется фиксацией ионов ТМ иллювиальными коллоидами нижних горизонтов почв. Специфика аккумулятивной способности генетических горизонтов почвенного профиля характерна также и для других аэротехногенных поллютантов городской среды. Так, на территории Иркутска промывной тип почвенного режима и фиксация химических элементов гумусом и минеральными коллоидами обусловливают направленность миграционных потоков сульфатов и фторидов в почвенном профиле. Исследования показывают, что из загрязненных почв подвижные формы элементов-токсикантов способны активно поступать в корневые системы растений. Наряду с фолиарным загрязнением древесных растений немаловажную роль в городских лесах играет почвенное поглощение элементов-загрязнителей. Учитывая полученные результаты, свидетельствующие о высокой миграционной активности токсикантов в системе почвенного профиля серых лесных почв, можно говорить о наличии значительного их поступления в ассимиляционные органы растений из всех горизонтов загрязненных почв. Так, на примере данных о содержании в хвое сосны и горизонтах почвенного профиля приоритетных токсикантов - серы и хлора было установлено, что это связи высокого уровня значимости (r = 0,79-0,88, Р = 0,05, n = 64). Исследованиями установлено, что суммарная аккумуляция токсикантов (сумма фолиарного и почвенного поступления) в ассимиляционных органах деревьев городских лесов Иркутска в хвое сосны и лиственницы и листьях березы превышает фоновые значения серы в 1,5-3 раза, фтора - в 3-6 раз, хлора - в 2-7 раз, свинца - в 8-20 раз, кадмия - в 5-8 раз, ртути - в 1,5-4 раза, меди - в 3-8 раз, цинка - в 2-7 раз, железа - в 2-8 раз. В Ангарске содержание элементов-поллютантов в хвое и листьях деревьев также высокое. В городских лесах содержание серы превышает фоновые концентрации в 2-3 раза, свинца - в 7-15 раз, кадмия - в 4-7 раз, ртути - в 1,5-2 раза, меди - в 2-7 раз, цинка - в 2-6 раз, железа - в 2-5 раз, мышьяка - в 1,5-3 раза. В Усолье- Сибирском загрязнение древесных растений обусловлено близостью техногенной зоны и нарушением почвенного покрова на больших площадях, прилегающих к городским лесам. В хвое сосны, лиственницы и листьях березы содержание серы превышает фоновое в 1,3-2,5 раза, хлора - в 2-9 раз, свинца - в 4-12 раз, кадмия - в 3-7 раз, ртути - в 1,5-9 раз, меди - в 2-5 раз. Изучение перераспределения потоков аэротехногенных поллютантов в городских лесах позволило выявить степень проявления важнейшей экосистемной функции почвенного покрова - способности к аккумуляции и детоксикации техногенных поллютантов и древесных растений - способности очищения атмосферного воздуха путем аккумуляции токсикантов в хвое и листьях. Установлено, что наименьший уровень загрязнения городских лесов отмечается на окраине городов, не подпадающих под перенос промышленных эмиссий и выбросов автотранспорта. Повышенный уровень загрязнения почв и растений обнаружен для большинства лесов в городской черте. При сильном уровне загрязнения городских лесов экосистемная функция почв заключается в иммобилизации токсичных ионов почвенного раствора в составе труднорастворимых комплексных соединений в условиях щелочной реакции среды, что существенно уменьшает их доступность для растений. Необходимо отметить, что накопление поллютантов в ассимиляционных органах растений подтверждают также данные о загрязнении атмосферного воздуха в городах, согласно которым значения ПДК загрязняющих веществ значительно превышены. Заключение Проведена оценка экосистемных функций городских лесов Приангарья по комплексу морфоструктурных, физико-химических и токсикологических показателей почв и древесных растений. Установлено, что выбранные показатели отличаются высоким уровнем взаимных корреляций, что отражает их индикационный характер в условиях негативного антропогенного воздействия (аэротехногенное загрязнение и рекреационная нагрузка) на растения и почвы городских территорий. Показано, что наиболее информативными являются параметры лесной подстилки, верхних почвенных горизонтов, ассимиляционных органов древесных растений. Исследованные биогеохимические процессы - изменение кислотно-щелочных условий в лесной экосистеме, нарушение соотношений биогенных элементов в почвах и растениях, миграция и аккумуляция элементов-поллютантов в почвенном профиле, хвое и листьях древесных растений - характеризуются взаимообусловленными изменениями в фито- и педоценозе. Установлено, что в городских лесах в условиях высокого уровня рекреационной нагрузки большую информативность приобретают морфоструктурные показатели верхних горизонтов почв. Для этих территорий выявлены повышенный уровень деструкции органического вещества, снижение минерализации элементов питания растений. При высоком воздействии атмосферного загрязнения обнаружены интенсивная аккумуляция и миграция поллютантов в почвенных горизонтах, нарушение соотношений калия, натрия, кальция, магния в ППК и ассимиляционных органах растений. В целом полученные результаты дают информацию о проявлении экосистемных функций почвы и древесных растений, рассматриваемых как основные средообразующие и средозащитные компоненты городской среды.

About the authors

Olga V. Shergina

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Author for correspondence.
Email: sherolga80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6333-8821

PhD of Biological Science, Senior Researcher

132/1 Lermontov St, Irkutsk, 664017, Russian Federation

Anastasiya S. Mironova

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: nkaverzina1986@rambler.ru
SPIN-code: 1575-4552
PhD of Biological Science, Junior Researcher 132/1 Lermontov St, Irkutsk, 664017, Russian Federation

Yulia S. Tupitsyna

Pedagogical Institute of Irkutsk State University

Email: yulya56138@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7744-9488

Graduate student, Pedagogical Institute

6 Nizhnyaya Embankment St, Irkutsk, 664011, Russian Federation

References

Supplementary files