Ръководител на работния пакет: доц. д-р Миглена Жиянски
Участници в изпълнението на дейностите по работния пакет:
доц. д-р Мария Глушкова
докторант Людмила Лозанова
Определянето на състоянието на планинските екосистеми е фундаментална дейност в проекта, която е базирана на създаването на база данни за избрани параметри на компонентите на изследваните планинските екосистеми. Информацията, получена при изпълнение на РП3 ще позволи да се оцени влиянието на наблюдаваните изменчиви фактори, дефинирани в РП1 върху избраните моделни видове организми.
Заложени за изпълнение са 3 основни дейности:
Дефинирането на индикатори за оценка на състоянието на планинските екосистеми и на биологичния отговор при изменение във факторите на средата в планинските екосистеми се основава на създаването на детайлна база данни по компоненти на средата във времеви диапазон за последните 20 години. Камералните проучвания включват библиографска справка на съществуващата литература по темата в национален и международен аспект – събиране на информация от публикации, проекти, непубликувани материали, личен архив и др. Същевременно ще бъде създадена електронна база данни по компоненти на планинските екосистеми, а именно – почва, горска постилка, тревна, храстова и дървесна растителност, климатични фактори, ландшафтни особености, история на земеползването и др. с информация за параметрите, описващи различни характеристики на тези компоненти. На база анализ на натрупаните данни ще бъдат дефинирани най-информативните индикатори за оценка състоянието на планинските екосистеми и за биологичния отговор при изменения във факторите на средата. Дейността обхваща м. януари – февруари 2017 г. (01-02) и м.юни 2017 г. (06). Същевременно през вегетационния сезон ще бъдат проведени 2 теренни експедиции за пробонабиране по компоненти на екосистемите – юни-август 2017 г. (06-08) паралелно с теренната работа ще бъдат закупени химикали и консумативи и ще бъде извършен последващ анализ на събраните проби с предвидена продължителност от 2 месеца. Получените резултати ще допълнят базата данни с актуална информация. Предвижда се дейност 1 да стартира през януари 2017 и да бъде с продължителност 8 месеца. Анализ, обобщаване и публикуване на предварителните резултати. Изготвяне на междинен отчет по проекта – февруари - юни 2018 г. (14-18).
Извършени са библиографски проучвания чрез критичен анализ на съществуващите бази данни от дългосрочните наблюдения на климатичните фактори в представителни планински екосистеми. Извършен е анализ на литературни източници, свързани с основните характеристики на различни компоненти на планинските екосистеми, както и информация за историята на земеползване и управление на екосистемите. Дефинирани са набор от информативни индикатори за оценка на състоянието на планинските екосистеми.
Осъществени са експерименталните проучвания, които включват допълнително пробонабиране, наблюдения и измервания в експерименталните обекти, с цел теренна верификация на избраните индикатори за оценка. В резултат на теренните проучвания са определени някои основни характеристики на горските насаждения от горна граница на гората в Рила планина като състав на растителността и дендробиометрични показатели; параметри на почвената система вкл. горска постилка – рН, C, N, почвени физични и химични характеристики, съдържание на макро- и микро-елементи. В резултат на анализ на получените резултати ще бъдат идентифицирани индикатори, които дават информация за изменения в биологичния отговор на компонентите на високопланинските екосистеми към промени в климата.
Заложени са 7 опитни площи, представителни за различен височинен диапазон и с различна характеристика на състава на растителността: дървесно-храстова и тревна растителност. Основните представителни на горскодървесната и храстова растителност в района на проучване са обикновен смърч (Picea abies Karst.), бял бор (Pinus sylvestris L.), клек (Pinus mugo Turra) и обикновена хвойна (Juniperus communis L.).
Въз основа на получените предварителни резултати могат да бъдат формулирани следните по-важни изводи:
Изследване на разграждането на органични отпадъци в различни типове земеползване.
Разграждането на органичните отпадъци е основен процес в екосистемите, който поддържа продуктивността на екосистемата и е свързан с изменението на климата. Този процес е част от глобалния наземен цикъл на въглерода и е част от редица експерименти, включително и в настоящия проект с оглед проучването му във високопланински райони. Разграждането на органичните отпадъците представлява част от наземния хранителен цикъл и функционирането на екосистемата, тъй като чрез този процес повече от 50% от нетната първична продукция се връща в почвата и 60 Pg C година -1 се връща в атмосфера.
Разграждането на отпадъците играе жизненоважна роля в хранителния баланс на горските екосистеми, а тяхното голямо значение и висока степен на уязвимост налага нови проучвания.
В горските екосистеми флората се влияе най -значително от рециклирането на хранителни вещества от растителните отпадъци и разлагането протича чрез множество механизми, особено хетеротрофно потребление на органични съединения и връщане на въглерод в атмосферата като CO2 чрез хетеротрофно дишане на почвени микроорганизми и животни.
Разлагането на растителните отпадъци може да бъде разделено на поне два етапа. Ранният етап на разлагане (около 0 до 40% загуба на маса) се характеризира с излужване на разтворими съединения и с разлагане на разтворима и нелигнифицирана целулоза и хемицелулоза (Couteaux et al., 1995; Heim и Frey, 2004), а късният етап (около 40–100% загуба на маса) обхваща разграждането на лигнифицираната тъкан. Разграждането на разтворимите вещества и ранното разграждане на хемицелулози и целулоза са доста бързи процеси и измерените скорости на ранен етап в полеви експеримент са били поне два пъти по-високи от тези в късния етап. Друга специфична разлика е, че в много ранен стадий, широколистнитната горска постилка губи маса по-бързо от иглолистната.
В тази връзка в рамките на проекта бяха проучени горски екосистеми от район на Рила като част от по-широкообхватно проучване за оценка на промяната в загубата на маса на ранен етап на различни видове екосистеми и да се фокусира върху ефекта на ключови фактори - климат, тип отпадъци и тип земеползване върху скоростта на разлагане на органичната материя в горската постилка.
Изследването е проведено в периода на изпълнение на проекта в седем експериментални обекта, представляващи различни типове земеползване: Природни екосистеми: иглолистни и широколистни гори и пасища; Градски екосистеми: горски култури и пасища. Естествените екосистеми са избрани от Централна Стара планина - местността „Беклемето” и в Рила - „Говедарци”.
Основните характеристики на експерименталните обекти са представени в следващата таблица.
Най-общо експеримента, проведен в избраните обекти от района на Рила планина следва методика и дизайн, определени в рамките на световната инициатива TeaComposition, която включва използването на пакетчета чай като стандартизиран показател за разлагане, предложен от Keuskamp и прилага стандартизиран протокол, адаптиран за глобални и дългосрочни приложения. Използвани са два вида чаени материали с различни качества: зелен чай, зелени листа (Camellia sinensis; EAN №: 8 722700 055525) с високо съдържание на целулоза и очаквано бързо разграждане, и чай Ройбос (Aspalanthus linearis; EAN №: 8 722700 188438) с високо съдържание на лигнин и очаквано бавно разлагане. Материалът на торбата е изработен от тъкан найлон и има размер на окото 0,25 мм, позволяващ достъп до микрофауна (Bradford et al., 2002), микробите и много фините корени. Преди началото на инкубацията всички торбички с чай са изсушени при 70°С в продължение на 48 часа и първоначалното тегло беше записано. Всяка торба беше идентифицирана с уникален номер и беше заровена в горните 5 см от горния почвен слой (от значение за разлагането на отпадъците) в изследваните пробни площи.
Избрани са две хомогенни области (парцели) на разстояние най -малко 1 m във всяка пробна площ. През 2016 година във всеки от двата блока бяха инсталирани две повторения от двете качества на отпадъците (зелен чай и чай Rooibos). Чаените торбички бяха събрани на всички места след тримесечен инкубационен период и повторени отново след 1 година. Чаените торбички се почистват от почвата и корените, изсушават се в сушилня при 70°С в продължение на 48 часа и се записва теглото на останалия чай (без торбичка). Средно тегло на торбата (40 празни пакетчета чай бяха изчислени на 0,248 g на торбичка) беше използвано за оценка на количеството на чая преди инкубацията. Схемата на експеримента е показана в долната таблица.
Извършен е статистически анализ с помощта на програмата SPSS 16.0 за Windows. Направен е анализ на дисперсията (ANOVA) и разликите между средното тегло на торбичките чай между различните типове земеползване са проверени чрез теста на Tukey (α = 0,05).
Теглото на пакетчетата чай Rooibos след 3 месеца полева инкубация варира между 1,35 ± 0,15 и 1,58 ± 0,09 g. Разликите между типовете земеползване са статистически значими (F = 28.10, Знак. = 0.026). За торбички със зелен чай също се наблюдават значителни разлики между групите (F = 24.45, Знак. = 0.000). Средните стойности са в диапазона от 0,53 ± 0,03 до 0,87 ± 0,12 g.
Маса на органичния отпадък 3 месеца след инкубация: A – Rooibos tea; B – Green tea
Земеползването влияе значително върху масата на чая, останала след 3 месеца инкубация в пробната площадка, особено изразена е тя между смесена иглолистна естествена гора (GPA) и естествена пасища в „Govedartsi“ (GGR) (за торбички за чай Rooibos). Силният ефект от типа земеползване върху ранния етап на разлагане на отпадъците се наблюдава за широколистни (BKF) и иглолистни (GPS) естествени гори, както и за естествени (GGR) и градски тревни площи (SGR).
За торбичките със зелен чай разликите между различните земеползвания в „Говедарци” не са статистически значими, но са получени статистически значими разлики между градските гори (SCA) и градските тревни площи (SGR) в София. За градските (SGR) и естествените пасища (GGR) разликата също беше значителна и е доказателство за климатичния ефект върху скоростта на разлагане на отпадъците. Ефектът от земеползването е наблюдаван и за широколистни (BKF) и иглолистни (GPA, GNS и GPS) естествени гори.
Теглото на пакетчетата чай Rooibos след 1 година полева инкубация варира между 1,34 ± 0,11 и 1,62 ± 0,17 g със статистически значими разлики между различните видове земеползване (знак. = 0,004). За торбичките със зелен чай разликите между групите също бяха статистически значими (Знак. = 0.025). Средните стойности са в диапазона от 0,66 ± 0,06 до 0,89 ± 0,09 g.
Маса на органичните остатъци 1 година след инкубация в почвата: A – Rooibos tea; B – Green tea
Една година след инкубацията се наблюдават статистически значими разлики между различните типове земеползване за широколистни гори (BKF), иглолистни естествени гори (GPA) и естествени пасища (GGR) за пакети от чай Roibos и за широколистни гори (BKF), иглолистни градски насаждения (GPA) ) и естествени пасища (GGR) за пакетчета зелен чай. Климатичният ефект върху процеса е установен за естествени (SGR) и градски тревни площи (GGR), както за проби от Roibos и зелен чай, така и между градска иглолистна гора (SCA) и естествена иглолистна гора (GPA и GPS за Roibos и зелен чай съответно).
Наблюдавани са значителни разлики в скоростта на разлагане между торбичките с чай Roibos (с високо съдържание на лигнин и очаквано бавно разграждане) и торбички със зелен чай (с високо съдържание на целулоза и очаквано бързо разлагане), което предполага ефект на качеството на постилката.
Във всички екосистеми масата на чая, останала след три месеца инкубация, е по -висока за Roibos (84%), отколкото за зеления чай (49%), което също е в съответствие с очакваната бърза скорост на разлагане на зеления чай и съответно очакваната бавна скорост на разграждане за чай Roibos. Като цяло, подобни модели на загуба на маса са записани за двата вида чай в различни биоми и са установени тенденции или значително по-голяма загуба на маса при топъл и влажен климат в сравнение със сухите и/или студените биоми.
Разграждането на органичните отпадъци е изключително важен процес във функционирането и динамиката на екосистемите, тъй като е основен начин за рециклиране на хранителни вещества, особено въглерод и азот и други елементи в екосистемата, който силно зависи от вида на екосистемите и скоростта на разграждане на различните растителни материали и усвояването на минерали.
Проучването показва, че земеползването има значително влияние върху загубата на маса в ранния етап на разлагане на отпадъците (3 месеца и 1 година след инкубацията на полето). Ефектът от земеползването е наблюдаван за широколистни и иглолистни естествени гори и за градски гори и градски тревни площи. Доказателствата за влиянието на климата върху скоростта на разлагане на отпадъците са намерени между градските и естествените тревни екосистеми и между градските иглолистни гори и естествените иглолистни гори.
Наблюдават се значителни разлики в скоростта на разлагане между торбичките с чай Roibos и торбички със зелен чай с различно съдържание на лигнин и целулоза, което предполага ефект на качеството на постелята върху процеса. Установено е, че скоростите на разлагане са по-високи в по-топъл и влажен климат, свързано с факта, че климатът може да има различен ефект върху разлагането на отпадъците с различни характеристики.
Резултатите, получени от проучването, показват, че множество фактори влияят върху загубата на маса на отпадъците в ранен етап, като качеството на отпадъците и земеползването са с висок ефект, но за да могат да бъдат определени различните фактори във времето се изисква провеждане на дългосрочни проучвания в комбинация с експериментални опити.