АРКТИЧЕСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ: МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ИХ ИССЛЕДОВАНИЮ

В программе "Повестка дня -XXI век", принятой в Рио-де-Жанейро в 1992 г., подчеркивается актуальность таких фундаментальных проблем, как изучение экосистем, их устойчивого развития, поддержание биоразнообразия с использованием междисциплинарного подхода. Экосистемная направленность исследований также признана приоритетной в генетическом почвоведении конца XX и начала XXI века (XV Конгресс МОП, Акапулько, 1994).

Исследование экосистем уже в 1967-1972 гг являлось одной из основных целей Международной биологической программы, конечной задачей которой было вскрытие закономерностей биологического круговорота вещества и энергии как в естественных, так и антропогенно-измененных сообществах.
Главной функцией экосистемы является обмен вещества и энергии, обеспечивающий постоянное обновление живого, процессы синтеза и разложения. Если приоритет фитоценоза - в аккумуляции энергии и создании биомассы, то в почве осуществляется обратный процесс - разложения и трансформации органического вещества, иначе фотосинтез прекращается. Значение функционирования экосистемы заключается в формировании оптимальной ее структуры, где живое вещество, благодаря круговороту, приспосабливает абиотические условия для своего существования.

Проводимые в настоящее время исследования в Арктике касаются отдельных компонентов структуры экосистем, а разрозненные данные об особенностях СО-2-газообмена и фотосинтеза, фиксации азота не могут вскрыть основных циклов элементов-биофилов в сообществах.

Методологические подходы к исследованию экосистем должны быть реализованы на основе концепции элементарных биогеохимических процессов, составляющих круговорот вещества (продуцирование органического вещества, миграция элементов-биофилов, трансформация и миграция веществ в почве).
Сочетания элементарных биогеохимических процессов и их взаимодействие являются инвариантами круговорота, определяющими устойчивость экосистем в условиях усиливающегося антропогенного влияния и ожидаемых изменений климата.

Устойчивость экосистем в значительной мере зависит от особенностей функционирования почвы. Функциональными блоками почвы, осуществляющими круговорот, являются почвенная биота, разлагающая подстилку и высвобождающая минеральные элементы питания и биомасса опада-подстилки. Почвенная биота является структурой, сохраняющей работоспособность и легко восстанавливающей целостность в изменяющихся условиях (кроме полной деградации почв).

А. И. Морозовым предложена гипотеза о существовании в составе биоты принципиально нового организма, образованного путем сращивания гифов различных грибов и способного к передаче информации и выделению активных метаболитов. Подобно "мичиганским гигантским грибам", каждый из которых может занимать площадь порядка гектара и иметь массу в несколько десятков тонн, сращенный гриб может доминировать в составе биоты почвы. Возможно, что в Арктике масштабов "мичиганского гриба" не обнаружится, однако, исследования микроорганизмов на Шпицбергене выявили параметры функционирования, сходные с таковыми в черноземах Румынии. Многочисленные плодовые тела и гифы грибов обнаружены в микростроении тундровых перегнойно-глеевых почв побережья Баренцева моря (Русанова, 1997).

Одной из актуальных научных проблем в настоящее время является определение чувствительности экосистем к различного рода нарушениям, в том числе, вследствие ожидаемых изменений климата. Для этой цели в Экосистемном центра штата Массачусетс (США), используется моделирование. Так, простая концептуальная Арктическая модель включает в себя главные пулы органического вещества и запасы питательных элементов (N) в арктической экосистеме в двух блоках: растительность и почвенное органическое вещество. Углерод входит в экосистему в виде первичной продукции (NPP), далее в виде опада переходит в почву и частично теряется в процессе дыхания. Азот входит в экосистему через почвенное органическое вещество посредством процессов минерализации органического вещества, фиксации из атмосферы, латерального привноса с почвенными водами.

Азот поступает в почву в виде опада. Потери азота происходят в результате выщелачивания, денитрифи-кации и освобождения NH-4 из почвенного органического вещества.

Посредством определения соотношения C/N осуществляется контроль за изменением углерода и азота в растительности и почвенном органическом веществе. Оказалось, что у тундровых растений активнее развит механизм усвоения азота аминокислот, чем аммония.

Использование модели дает возможность разработать прогноз изменений состояния экосистем, предположим, на 50 лет, при повышении температуры на 5", усилении гумидности или, напротив, аридности климата. Все изменения влияют на величину C/N, запасы и распределение азота между почвой и растительностью.
Следует отметить, что описанный тип биогеохимической модели не охватывает следующие виды разрушений в Арктике, как:
- эффект токсических поллютантов (тяжелые металлы, нефтяные разливы), их краткосрочное и долгосрочное влияние на циклы С, N и других элементов,
- эффект протаивания активного слоя, углубления кровли постоянной мерзлоты во взаимодействии с биогеохимическими циклами.

Существуют и другие модели для расчета цикла углерода в биосфере. Например, модельный подход к оценке и интенсивности потока углерода в экосистемах, для которого используются экспериментальные данные по первичной биологической продукции, деструкции органического вещества и радиоуглеродного анализа гумуса, предложеннный Ю. М. Свирежевым в 1997 г.

Использование моделей в значительной степени расширяет возможности применения данных, полученных в процессе изучения арктических экосистем, анализа и интерпретации наблюдаемых и прогнозируемых откликов арктических экосистем на естественные и антропогенные нарушения.

Г. Русанова, д.б.н. лаборатории экологии и охраны тундры