ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ПРИОРИТЕТНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ЗАВЕРШЕННЫХ В 2001 г.

 


4. Науки о жизни
4.2. Общая биология и экология
4.2.1. Структурно-функциональная организация водных и наземных экосистем, динамика популяций и механизмы устойчивости сообществ

Исследованы долговременные изменения структуры популяции сигов Coregonus lavaretus под воздействием малых (фоновых) доз загрязнения субарктического водоема выбросами металлургического комбината. Подтверждено, что ответные реакции популяций рыб на продолжительное (более 60 лет) воздействие региональных фоновых уровней загрязнений аналогичны ответам популяций рыб из водоемов-приемников сточных вод (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.1).

С использованием сравнительных исторических подходов, были проанализированы современное состояние и долговременные изменения структурных показателей популяции сига оз. Чунозеро (Лапландский биосферный заповедник). Было показано, что водосбор данного водоема испытывает аэротехногенные нагрузки тяжелых металлов и кислотных окислов, уровень которых соответствует региональным фоновым. Рассчитаны суммарные дозы воздействия загрязнителей за весь период существования комбината "Североникель". Показано, продолжительное (более 60 лет) воздействие сублетальных уровней загрязнений (фоновые региональные уровни) обусловило изменения возрастной структуры популяции в сторону ее омоложения, сокращения числа возрастных групп и более раннего полового созревания. Одновременно увеличился процент особей пропускающих нерест. Выявлено увеличение частоты встречаемости патологий жизненно важных органов рыб и повышенные уровни накопления тяжелых металлов. (Научный руководитель: зав. лаб., д.б.н. Кашулин Н.А. тел.: (81555) 79378).

Установлены пределы природной вариабельности гематологических и морфо-физиологических показателей малотычинковой формы сигов Coregonus lavaretus субарктических водоемов как "нормы" существования вида, которые могут быть использованы для биоиндикации техногенной нагрузки (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.1).

Исследована природная вариабельность морфофизиологических, показателей сига оз. Имандра. Впервые детально изучена возрастная, половая и сезонная динамика гематологических показателей и индексов внутренних органов сига в условиях, близких к природным. Для изученных показателей установлены пределы варьирования в условно-чистых районах. Ретроспективно прослежены изменения основных морфофизиологических показателей сигов при интенсивном загрязнении вод и в ответ на частичное улучшение качества водной среды при снижении уровня антропогенной нагрузки. Определены закономерности изменения основных характеристик красной и белой крови, дан цитоморфологический анализ форменных элементов крови и их патологических изменений под воздействием различных видов загрязнения - стоками апатитонефелиновой индустрии, медно-никелевого производства и подогретых вод АЭС. Выявлено, что в условиях снижения нагрузки наблюдалось уменьшение заболеваемости рыб нефрокальцитозом. (Научный руководитель: чл.-корр. РАН Моисеенко Т.И. тел.: (81555) 79786).

Разработаны научные основы и методологический подход для индикации ранних нарушений в сообществах хирономид (Diptera: Chironomidae) и двух последовательных фаз стресса у этих беспозвоночных на физиологическом и генетическом уровнях при антропогенном загрязнении пресноводных экосистем на основе результатов палеолимнологических реконструкций (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.1).

Впервые на основе результатов палеолимнологической реконструкции долговременных изменений структурных показателей сообществ хирономид пресных водоемов, различающихся по типу и степени антропогенного загрязнения, установлены общие закономерности изменения структурных показателей сообществ на этапе ранних нарушений в экосистеме. Наличие различных типов морфологических деформаций у особей из реконструируемых сообществ положены в основу методологии для индикации двух последовательных фаз стресса у беспозвоночных на физиологическом и генетическом уровнях при дальнейшем углублении кризиса. Разработанная методология рекомендована научным и контролирующим организациям для использования при осуществлении гидробиологического мониторинга на озерах. (Научные руководители: чл.-корр. РАН Моисеенко Т.И., д.г.н. Даувальтер В.А. тел.: (81555) 79774).

Дан анализ природных аспектов пространственных (парцеллярных) и сезонных колебаний численности и биомассы различных групп микроорганизмов Al-Fe гумусовых подзолов и их изменений в процессе деградационной сукцессии, вызванной воздушным промышленным загрязнением (ИППЭС КНЦ РАН, Ф-т почвоведения МГУ 4.2.1).

Показано, что на фоне полного доминирования микромицетов ярко выраженные парцеллярные и сезонные колебания в численности и биомассе микроорганизмов наблюдаются в небольшом по протяженности (10-15 см), резко дифференцированном по морфологии и свойствам корнеобитаемом пространстве, охватывающем органогенный, подзолистый и иллювиальный горизонты. Сопоставимая биомасса микроорганизмов в богатых органическим веществом и элементами питания органогенных горизонтах и минеральных горизонтах, отличающихся низкими концентрациями органического вещества и биогенов, объясняется постоянным поступлением в минеральные горизонты подстилочных вод, богатых углеродом и водорастворимыми соединениями биогенов, наиболее доступных для микроорганизмов. Активная нисходящая миграция этих веществ в подземное корнеобитаемое пространство, обусловленная гумидным режимом и легким гранулометрическим составом, способствует формированию благоприятного для микроорганизмов питательного, водного и воздушного режимов. В почвах межкроновых парцелл максимальная плотность микроорганизмов смещена к подзолистому горизонту, что обусловлено антибиотическим действием метаболитов лишайников и зеленых мхов, тогда как в древесных парцеллах максимум приурочен к органогенным горизонтам. Максимум численности и биомассы микроорганизмов обнаруживается в почвах древесных парцелл, особенно в конце вегетационного периода.
В условиях воздушного промышленного загрязнения кислотообразующими веществами и соединениями тяжелых металлов максимум численности и биомассы микроорганизмов сохраняется в почвах древесных парцелл. Нарушаются закономерности сезонной динамики: обнаруживается снижение численности и биомассы грибов к концу вегетации, особенно в древесных парцеллах. Это обусловлено обогащением почв соединениями тяжелых металлов и их обеднением элементами питания, а также поступлением растительного опада не в природные фенологические сроки, а на протяжении всего периода вегетации. Микромицеты Al-Fe гумусовых подзолов северо-таежных лесов являются наиболее чувствительной группой почвенных микроорганизмов. (Научные руководители: зав. лаб., д.б.н., проф. Никонов В.В., тел.: (81555) 79778; зав. лаб., д.б.н. Лукина Н.В., тел.: (81555) 79751; проф. Полянская Л.М., тел.: (095) 9393579).

4.2.2. Систематика, оценка состояния биологического разнообразия и его сохранение; биологические ресурсы, рациональное использование растительного и животного мира

Дан анализ формирования, распространения и современного состояния коренных лесов на северном пределе распространения (Кольский полуостров) и предложены пути их рационального использования и охраны в условиях антропогенной угрозы (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.2).

Старовозрастные насаждения Мурманской области, произрастающие на северном пределе распространения, занимают 30 тыс. км2 или 21% территории области. Однако доля крупных массивов, способных к длительному самоподдержанию, составляет лишь 14% территории области. Крупнейшие массивы, образующие цельные комплексы с сопредельными экосистемами гор и болот и нерасчлененные хозяйственной инфраструктурой, составляют 9% от лесопокрытой площади или 19% от общей площади массивов. В настоящее время естественная динамика лесов определяется крупномасштабными нарушениями. Старовозрастные сосновые леса представляют собой мозаику насаждений, поврежденных пожарами в различной степени и в различное время. За нарушениями следуют волны возобновления, что определяет ступенчатую демографическую структуру насаждений. Циклические пожарные нарушения поддерживают подобные насаждения с момента их формирования в середине голоцена. Древесный ярус старовозрастных еловых лесов сформирован первым поколением деревьев после нарушений также пирогенного генезиса. Этим фактором определяется незначительное количество валежа и подроста, а также демографическая структура популяций пород-эдификаторов с преобладанием деревьев старшего возраста. Незначительным временем формирования напочвенного покрова, недостаточным для заселения его из рефугиумов видами позднесукцессионных стадий, объясняется обедненный флористический состав. Занимающие небольшую площадь участки рефугиумов характеризуются гораздо большим флористическим разнообразием. Такие участки также характеризуются близкой к "правильной" демографической структурой древостоя с преобладанием молодых возрастов. В силу природных условий, экстремальных для произрастания древесных пород, малой лесистости и быстрого промышленного освоения территории, а также важных климатозащитных и средостабилизирующих функций лесов региона, намного превосходящих их сырьевое значение, необходимо создание обоснованной стратегии сохранения и использования лесов. Важным элементом этой стратегии является сохранение коренных лесов как природных объектов, осуществляющих данные функции в максимальной степени, а также играющих большую роль в сохранении биологического разнообразия. Разрабатываемая схема развития ООПТ предлагает взятие под охрану 13.9% старовозрастных лесов и резервирование 11.9% этих лесов, в этом числе большая часть крупнейших массивов. (Научный руководитель: зав. лаб., д.б.н., проф. Никонов В.В., тел.: (81555) 79778).

В многолетнем тренде (период 1963 - 1999 гг.) дан анализ особенностей плодоношения брусники (Vaccinium vitis-idaea L.) и черники (V. myrtillus L) в хвойных лесах и горной тундре центральной части Кольского полуострова. Установлено, что ягодным кустарничкам присуща высокая вариабельность плодоношения, определяемая типом растительного сообщества и экологическими факторами. Выявлены оптимальные условия плодоношения. (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.2).

Результаты исследований особенностей плодоношения черники и брусники в 7 типах хвойных (сосновых и еловых) лесов и кустарничково-лишайниковой горной тундре центральной части Кольского полуострова показали, что ягодным кустарничкам присуща высокая вариабельность плодоношения (бруснике - от 0.5 до 59 кг/га; чернике - от 3.9 до 128.5 кг/га), определяемая климатическими условиями, типом растительного сообщества и биологией развития. Выявлены достоверные различия в плодоношении в различных типах сосновых и еловых лесов. Установлены тесные зависимости урожайности ягод брусники и черники от показателей среднемесячных температур за предшествующий зимний период. Выявлены связи между плодоношением Vaccinium myrtillus L. и температурой воздуха за вегетационный период (особенно за май, июнь и июль месяцы), а также от суммы осадков за вегетационный период (особенно во 2 и 3 декаде мая, июля и августа). В сосновых типах леса положительно влияют на массу ягоды Vaccinium vitis-idaea L. температуры июня и вегетационного периода в целом. Воздушное промышленное загрязнение достоверно снижает урожайность черники. Условия сосняка брусничного (Pinetum vacciniosum) являются наиболее оптимальными для плодоношения брусники; сосняка чернично-вороничного (Pinetum empetroso-myrtillosum) - для черники. (Научные руководители: зав. лаб., д.б.н., проф. Никонов В.В., тел.: (81555) 79778; с.н.с., к.с-х.н, Исаева Л.Г., тел.: (81555) 79679).

Оценены микробные ресурсы и размеры иммобилизации биогенных элементов биомассой микроорганизмов подзолистых почв в различных природных зонах Северной Фенноскандии. Исследована характеристика биологического разнообразия микроорганизмов и функциональной структуры микробных сообществ (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.2).

В результате многолетних исследований (1991-2001 гг.) получены и проанализированы данные по численности и биомассе почвенных бактерий и микроскопических грибов, распределению их между генетическими горизонтами, выяснены соотношения между размерами грибной и бактериальной биомасс в подзолистых почвах различных природных зон (тундра, лесотундра, северная тайга) Кольского полуострова и Северной Норвегии. Микробиологические показатели характеризуют лесные экосистемы как более зрелые по сравнению с экосистемами тундры. Они также свидетельствуют, что минеральные почвенные горизонты являются более стабильными и зрелыми системами по сравнению с подстилкой, для которой характерна большая динамичность химических и биологических процессов во времени и пространстве. Месячная продукция бактерий в вегетационный период составила в органогенных горизонтах подзолистых почв тундры, лесотундры и тайги по 1% от массы органического вещества почвы; месячная продукция грибов - 3% в тундре и ельниках, 1.5% в лесотундре и 1% сосняках. В минеральных горизонтах доля микробиомассы от общей массы органического вещества почвы возрастает и продукция микроорганизмов может достигать десятков процентов от органического вещества. Количество углерода, иммобилизованного в биомассе почвенных микроорганизмов, населяющих подзолы, составляет 100-200 кг/га, азота - 25-50 кг/га; фосфора - 8-12 кг/га.
Среди первичных редуцентов в подзолах Кольского полуострова выявлено 113 видов водорослей с преобладанием среди них одноклеточных зеленых (до 60%). Впервые определена азотфиксирующая активность цианобактерий (синезеленые водоросли), входящих в таллом напочвенных лишайников (до 24 мг азота/сутки/1 м2). Различий в таксономическом составе комплексов микроскопических грибов подзолистых почв между природными зонами на основании проанализированного материала не выявлено. Наблюдаются различия в таксономической структуре грибных комплексов, отраженные в степени доминирования и частоте встречаемости видов. Результаты исследований обобщены в монографии: "Микроорганизмы подзолов тундры и тайги Кольского Севера". Изд. КНЦ РАН. 2001. 194 с. (Научный руководитель: зав. лаб., д.б.н., проф. Евдокимова Г.А., тел.: (81555) 79771).

4.2.4. Генезис и структура почвенного покрова, биосферные функции почв

Сформулирована и апробирована в полевом эксперименте концепция регулирования питательного режима дефолиирующих лесов Севера методом внесения в почву недостающих элементов питания в форме удобрений пролонгированного действия (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.4).

Концепция предполагает оценку нарушенности питательного режима лесов и расчет количества вносимых элементов питания на основе параметров биогеохимических циклов. В многолетнем полевом эксперименте в ельниках кустарничково-зеленомошных при внесении различных видов удобрений (известь, плавленые магниевые фосфаты, хлористый калий и нитроаммофоска) выявлены тенденции изменения кислотности и емкости катионного обмена почв, концентрации доступных для растений соединений элементов питания, миграции элементов с почвенными водами и сезонные изменения химического состава хвои ели. Для лесных БГЦ холодных гумидных областей обоснована предпочтительность внесения недостающих элементов питания в форме удобрений пролонгированного действия. Показаны парцеллярные особенности реакции еловых БГЦ на регулирование питательного режима. (Научные руководители: зав. лаб., д.б.н. Лукина Н.В., тел.: (81555) 79751; зав. лаб., д.б.н., проф. Никонов В.В., тел.: (81555) 79778).

В развитии представления о роли биогенного кислотообразования в генезисе Al-Fe гумусовых подзолов, обоснована и экспериментально подтверждена ведущая роль органического вещества в подкислении почв в процессе деградационной сукцессии, вызванной выпадением из атмосферы кислотобразующих веществ (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.4).

Показано, что на стадии дефолиирующих лесов, где кислотность почв и почвенных вод достигает максимальных значений, увеличивается концентрация фульвокислот за счет гидролиза аккумулятивных форм гумуса, вызванного действием кислотных компонентов в атмосферных выпадениях, а также за счет увеличения количества свежих растительных остатков. На стадии техногенных редколесий и пустошей, несмотря на интенсивный поток кислотообразующих веществ из атмосферы, кислотность почв и почвенных вод снижается из-за уменьшения концентрации фульвокислот, обусловленного снижением количества опада. Нелинейный по отношению к количеству кислотообразующих веществ, выпадающих из атмосферы, характер изменения параметров кислотности подзолов объясняется динамикой органического вещества. (Научный руководитель: зав. лаб., д.б.н. Лукина Н.В., тел.: (81555) 79751).

На основе результатов многолетнего полевого эксперимента обосновывается неинформативность параметра кислотонейтрализующей способности почвенных вод (ANC) для оценки критической кислотной нагрузки на бореальные леса, сформированные на Al-Fe гумусовых подзолах, из-за незначительных концентраций в водах этих почв солей слабых кислот и сильных оснований (ИППЭС КНЦ РАН, 4.2.4).

Показатель кислотонейтрализующей способности почвенных вод (ANC), рассчитываемый как разность между суммой основных катионов и суммой анионов минеральных кислот, широко используется для оценки критической кислотной нагрузки на бореальные леса. На основе результатов многолетнего полевого эксперимента показано, что значения этого показателя в почвенных водах Al-Fe гумусовых подзолов на Кольском полуострове достигают высоких значений, особенно в древесных парцеллах, и не снижаются до критического уровня (300 мкэкв/л) даже в условиях интенсивных аэротехногенных нагрузок, обусловленных действием крупнейшего в Северной Европе источника выбросов в атмосферу кислотобразующих веществ - комбината "Североникель". Показано, что причиной высоких значений параметра кислотонейтрализующей способности ANC является присутствие в растворе солей фульвокислот, которые по силе сопоставимы с минеральными кислотами, за счет чего не происходит связывания их анионов в слабодиссоциированные соединения. (Научные руководители: зав. лаб., д.б.н. Лукина Н.В., н.с. Горбачева Т.Т., тел.: (81555) 79751).

BACK