WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

ЧИКЕНЁВА ИРИНА ВАЛЕРЬЕВНА

ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ

ОРСКО-НОВОТРОИЦКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО УЗЛА

Специальность 03.00.16 – экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Тольятти 2009

Работа выполнена в лаборатории агроэкологии и землеустройства

Института степи УрО РАН (г. Оренбург)

НАУЧНЫЕ

РУКОВОДИТЕЛИ: Доктор сельскохозяйственных наук, профессор

заслуженный деятель науки РФ

Климентьев Александр Ильич.

Кандидат биологических наук, доцент

Кин Наталия Олеговна.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ

ОППОНЕНТЫ: Доктор биологических наук, профессор

Прохорова Наталья Владимировна.

Доктор биологических наук, профессор

Каплин Владимир Григорьевич.

ВЕДУЩАЯ

ОРГАНИЗАЦИЯ: Оренбургский государственный университет

Защита диссертации состоится 11 ноября 2009 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу: 445003, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Комзина, д. 10.

Тел. (8482) 489977, тел./факс (8482) 489504, E-mail: ievbras2005@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом – на сайте ИЭВБ РАН по адресу http//www.ievbran.ru

Автореферат разослан «___» сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук А.Л. Маленёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В степях восточной части Оренбуржья сосредоточено большое количество промышленных объектов, прежде всего металлургических. Выбросы, поступающие с промышленных предприятий, оказывают мощное техногенное воздействие на окружающие природные комплексы степной зоны, вызывая нарушения естественного развития биогеоценозов, изменяя интенсивность биологического круговорота, характер почвообразующих процессов и структуру растительных сообществ (Горчаковский, Рябинина 1984).

Актуальность настоящих исследований определяется ограниченностью научных данных по состоянию растительности вблизи крупных промышленных предприятий Орско-Новотроицкого промузла.

Цель исследования. Провести эколого-биогеохимическую оценку растительного покрова в зоне Орско-Новотроицкого промышленного узла.

Для достижения обозначенной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить динамику и особенности продукционно-деструкционного процесса различных фитоценозов в условиях техногенного воздействия;

- исследовать особенности накопления макроэлементов в исследуемых фитоценозах;

- выявить специфику поглощения тяжелых металлов (ТМ) различными фитоценозами в зоне воздействия металлургических предприятий.

Научная новизна. Продукционно-деструкционный процесс и особенности накопления тяжелых металлов в фитоценозах, развивающихся в зоне промышленного воздействия металлургических предприятий Восточного Оренбуржья, изучены впервые.

Теоретическое значение работы. Материалы, отраженные в диссертации, вносят вклад в теоретические основы экологии и природопользования и имеют значение для разработки программы по изучению современного состояния растительного покрова в условиях техногенного воздействия промышленных предприятий.

Практическая значимость работы:

- полученные данные по загрязнению тяжелыми металлами, особенностям динамики и продукционно-деструкционному процессу в растительном покрове Восточного Оренбуржья могут стать основой при проведении мониторинговых исследований экосистем, развивающихся в условиях техногенного воздействия;

- данные о современном состоянии растительного покрова могут быть использованы в учебном процессе ВУЗов и ССУЗов студентами биологических и экологических специальностей.

Положения, выносимые на защиту:

- продукционно-деструкционные процессы в различных фитоценозах, развивающихся в условиях техногенной нагрузки, направлены на достижение высокой адаптивности и жизнеспособности;

- интенсивность накопления ТМ фитоценозами зависит от таксономической структуры, фенологической стадии фитоценоза, а также от расположения по отношению к источнику загрязнения, климатических условий и природы загрязнителя.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных, российских и региональных конференциях: XI Всероссийского Конгресса «Экология и здоровье человека» на тему: Проблемы выживания человека в техногенной среде современных городов (Самара, 2006), IV международный симпозиум «Степи Северной Евразии» (Оренбург, 2006), III международная научная конференция «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2006), IV международная конференция «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2008), автор признан лауреатом конкурса научных работ молодых ученых Оренбуржья «Экотехнология - 2007».

Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 1 статья размещена в сети Интернет, 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ при защите кандидатских диссертаций.

Декларация личного участия автора. Автором лично осуществлен весь комплекс полевых исследований, проведена камеральная обработка материалов, математические расчеты, обобщены данные и обоснованы оригинальные выводы.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 175 страницах, включает 12 рисунков, 23 таблицы и состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 247 источников, в том числе 20 на иностранном языке, а также 2 приложения, в которые входит 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Краткий очерк истории образования и изучения Орско-Новотроицкого промышленного узла

Первые работы, связанные с изучением востока Оренбургской области приходятся на XVII-XVIII вв. Некоторые сведения о растительном покрове этой территории изложены в работах П. И. Рычкова (1762); особенности гидрологии и минералогии отмечены в трудах И. П. Фалька (1768); общие географические, метеорологические и геологические наблюдения нашли отражение в научных опусах Х. Л. Эйлера (1769) и А. Гумбольдта (1828) (Бочагов, 1954).

В XIX в. свои исследования проводили С. Г. Гмелин (1806), К. М. Бэр (1856), Г. С. Карелин (1883), Н. А. Зарудный (1888), Э. А. Эверсманн (1840), В. И. Даль, С. Н. Никитин (1893), С. И. Коржинский (1894). В XX столетии научные данные о территории исследования пополнились работами С. С. Неуструева (1918), И. М. Крашенинникова (1919, 1937, 1939), С. Е. Рожанец-Кучеровской (1926, 1928, 1929), М. И. Рожанец (1926), С. Ю. Липшица (1929), Ф. Н. Милькова (1947).

Впервые геологическую, геоморфологическую и гидрогеологическую характеристику Орского района в 1854-1855 гг. приводят горные инженеры Н. Г. Меглицкий и А. И. Антипов. К 1885 г. в г. Орске насчитывалось около 20 небольших фабрик и заводов, которые работали сезонно (Неуструев, 1918).

В начале XIX века академик А. Е. Ферсман указывает на крупные месторождения в районе современного Орско-Новотроицкого промузла. В 1929 г. И. Л. Рудницкий открывает Халиловское месторождение бурых железняков, площадью около 2000 км2. Позже здесь обнаружили месторождения никелевых и марганцевых руд. С этого времени исследования геологического строения Орско-Новотроицкой территории ведутся планомерно: под руководством Н. К. Разумовского (1932-1935) составлена геологическая карта, В. Ф. Северьяновым (1933) проведена рекогносцировочная гидрогеологическая съемка Орского района.

В 1940-1943 гг. начинается изучение района будущего г. Новотроицка в связи со строительством ОХМК. Южно-Уральской геофизической экспедицией (1963) были выполнены исследования по определению глубины залегания и мощности песчано-галечниковых отложений (Альтов, 1982).

В связи с промышленным освоением целинных земель происходила мощная трансформация растительного и почвенного покрова, особенности которой были отмечены в работах Б. А. Федченко, Н. Ф. Гончарова (1939), М. С. Хомутовой (1965), Р. П. Савоськиной (1962), П. Л. Горчаковского (1963, 1979), З. Н.  Рябининой (1988, 1995), Н. Ю. Вельц (2003) и др.

Современный Орско-Новотроицкий промузел (рис. 1) является крупнейшим металлургическим центром Южного Урала, в пределах которого, сконцентрировано большое количество экологически опасных объектов широкого спектра отраслей. Санитарно-защитные зоны для отдельных предприятий не организованы. Чрезмерная концентрация промышленных объектов, несовершенная технология процессов очистки, разбросанность жилых массивов и близкое их расположение к промзонам приводят к тому, что окружающая среда находится под мощным антропогенным прессом. Здесь располагаются одни из самых крупных в России предприятий: ООО «Уральская сталь» (Орско-Халиловский металлургический комбинат (ОХМК)), ОАО НОСТА), ООО «Южполиметалл» (ОАО "Южуралникель" - (ЮУНК)), ОАО «ОРМЕТО» (Южно-Уральский машиностроительный завод), АО «ОНОС» (Орскнефтеоргсинтез), ОАО «Новотроицкий завод хромовых соединений». Основными загрязнителями являются ОХМК и ЮУНК, где выбросы вредных веществ по области составляют 25,5 и 41,9% соответственно (Протасов, 2001).

Глава 2. Физико-географические и экологические условия территории исследования

Орско-Новотроицкий промышленный узел занимает площадь около 1,8 тыс. км2 (рис. 1) и расположен на территории крайнего востока Европейской части России, в среднем течении р. Урал, в районе отрогов Южного Урала, среди пологих образований Салаирской гряды и сопок (Чибилёв, 1999).

Климат района исследования резко континентальный. Рассматривая динамику температурного режима и количества осадков за время исследований (2006 и 2007 гг.) было установлено, что 2006 год был засушливым, т.к. во время вегетационного периода отмечено два пика засухи: с мая по июнь и с июля по сентябрь. В 2007 году погодные условия более благоприятны, засушливый период пришелся на конец вегетационного сезона (с августа по октябрь).

Согласно схеме почвенно-географического районирования Оренбургской области почвенный покров Орско–Новотроицкого промузла представлен в основном южными карбонатными черноземами (Климентьев, 2000).

Согласно геоботаническому районированию, изучаемая территория находится в пределах Орского округа Мугоджарско-Тургайской подпровинции Казахстанской провинции Евразийской степной области (Лавренко, 1954).

Глава 3. Методика исследований и объем выполненных работ

В основу методики исследования положены рекомендации, содержащиеся в известных общепринятых руководствах В. Н. Сукачёва (1928), Ю. Л. Раунера (1972), Н. В. Дылиса (1978), В. Т. Карпова (1969), С. В. Зонна (1954, 1956), Н. И. Базилевич (1965; 1974; 1978), Л. М. Родина (1965), А. А. Титляновой (1978; 1979).

Расположение и описание исследуемых площадок. Географическое положение исследуемых участков определялось с помощью Garmin Quest.

Были выбраны 4 стационарных участка, два из которых находились в непосредственной близости к промышленным предприятиям (№ 2 и № 3), один на удалении 3 км (№ 1). Контрольный участок (№ 4) был заложен в 30 км северо-западнее от промузла (рис. 1).

Участок № 1. N 51013.803' E 058024.803', высота 273 м, направление 182 км. Располагается в 3 км на запад от Новотроицкого комбината (ОХМК), в 70 м севернее дороги Орск-Новотроицк. Рельеф: холмисто-увалистый, с большими узкими лощинами на возвышенности. Площадка имеет уклон на северо-восток. Почва: чернозем южный маломощный глубокосолончаковый (гипсовый) на охристых глинах древней коры выветривания. Растительное сообщество - залесскоковыльно-полынково-типчаковое (Festuca valesiaca-Artemisia austriaca- Stipa zalesskii).

Участок № 2. N 51013.512' E 058022.983', высота 210 м, направление 181 км. В 0,5 км на запад от Новотроицкого комбината ОХМК. Рельеф: выровненный с небольшими понижениями. Почва: чернозём южный карбонатный маломощный на желто-охристой коре выветривания. Растительное сообщество - залесскоковыльное (Stipa zalesskii).

Участок № 3. N 51014.916' E 058033.066', высота 204 м, направление 191 км. В 0,5 км восточнее ЮУНК г. Орска. Рельеф: холмисто-увалистый. Почва: чернозем южный карбонатный малогумусный маломощный тяжелосуглинистый. Растительное сообщество - молочайно-пырейно-житняковое (Agropyron pectinatum-Elytrigia repens –Euphorbia virgata).

Участок № 4. N 51021.561' E 058006.506', высота 345 м, направление 158 км. В 30 км западнее г. Орска. Контрольный участок. Рельеф: увалисто-холмистый. Почва: чернозём южный маломощный тяжёлосуглинистый. Растительное сообщество - грудницево-залесскоковыльное (Stipa zalesskii-Galatella villosa).

Для количественного описания динамики органического вещества в сообществах использовали методику А. А. Титляновой (1971). Для этого на стационарных участках в течение вегетативного периода с мая по сентябрь закладывали учётные площадки (5050 см) в трехкратной повторности, где травостой срезали на уровне почвы. Ветошь выбирали из укосных образцов при их разборе. Подстилку собирали с площадок после снятия надземной массы.



Запас корней учитывали методом монолитов (Шалыт, 1950; Лапинскене, 1986). На площадке, с которой собрана надземная часть растительного сообщества, вынимали почвенный монолит размером 5050 см на глубину распространения корней (примерно 50 см). Сбор образцов проводили в трехкратной повторности. В лаборатории крупные корни выбирали вручную, остальные промывали водой на сите. Подземные органы делили на мертвые и живые, помещая в цилиндр, наполненный водой, где живые корни оседали на дно, а мертвые всплывали (Фартушина, 1996).

Образцы надземной и подземной сфер растительного сообщества высушивали до воздушно-сухого состояния и пересчитывали в ц/га (Титлянова, 1996).

На основе полученных данных о динамике основных блоков в исследуемых сообществах при помощи балансовых уравнений А. А. Титляновой (1979) рассчитан продукционно-деструкционный процесс.

Блок - любое природное тело, в которое вещество (или энергия) поступает, в котором оно может перерабатываться и из которого выходит. Блоком может быть любой компонент биогеоценоза (или его часть), который характеризуется запасами изучаемых веществ, хранящимися в нем. Были приняты следующие обозначения: G –зелёная надземная масса, L – подстилка, D – ветошь, R – живые корни, V - мертвые корни, «av» указывает на среднее значение за определённый период, «max» - максимальное значение соответствующего запаса за период. Единица измерения запасов и приростов – ц/га (Титлянова, 1971).

С целью установления влияния промышленного воздействия на растительный покров отбирали пробы наземных и подземных органов растений для биохимических анализов. Подготовку почвенных и растительных образцов проводили в соответствии с требованиями к отбору проб при общих и локальных загрязнениях, изложенными в ГОСТ 17.4.3.01-83; ГОСТ 17.4.4.02-84, ГОСТ 26657-85 и «Методических указаниях по проведению полевых и лабораторных исследований…» (1981), а также в «Руководстве по оценке загрязненных объектов окружающей среды…». Минерализацию образцов проводили в соответствии с «Методическими указаниями по определению токсичных элементов…» (ГОСТ 26929-94). В полученных вытяжках определяли содержания тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd, Co, Mn, Ni) и макроэлементов (N, P, K) на атомно-адсорбционном спектрофотометре типа С-115 ТМ в ФГУ ГЦАС «Оренбургский» по следующим контрольным документам: N – ГОСТ 26107-84, Р – ГОСТ 26261-84, К – ГОСТ 26261-84 – валовые содержания; подвижные (доступные для растений) формы: Co – ГОСТ Р 50683-94, Zn – ГОСТ Р 50686-94, Cu – ГОСТ Р 50683-94, остальные по ГОСТ 26929-94.

Агрохимические анализы почвы проводили следующими методами: гумус – по Тюрину с колориметрическим окончанием (ГОСТ 26213 – 91), азот нитратов – потенциометрическим методом, подвижный фосфор и обменный калий – по Мачигину (ГОСТ 26205 – 91), тяжёлые металлы (Cu, Co – по ГОСТ 50683 – 94, Mn– по ГОСТ 50685– 94, Zn – по ГОСТ 50686 – 94, Pb, Ni, Cr – по РД 52.18.289 – 90). Убыль массы гумуса под покровом естественных растительных сообществ рассчитана по формуле А. В. Ряховского (2004).

Объем выполненных работ. Изучение степного комплекса в районе Орско-Новотроицкого промузла проводили в каждый вегетационный период (май-сентябрь) 2006-2007 гг. За время исследований на 4 стационарных участках было заложено 120 учётных площадок и 4 почвенных профиля. Для изучения продуктивности растительных сообществ, а также определения количественного содержания макроэлементов и тяжёлых металлов отобрано 252 образца.

Глава 4. Продуктивность исследуемых сообществ на территории Орско-Новотроицкого промышленного узла

Динамика запаса органического вещества в основных функциональных блоках исследуемых сообществ. В экосистеме растительное вещество расположено в двух сферах – надземной (ANP) и подземной (BNP), в которых создается чистая первичная продукция (Титлянова, 1978).

Соотношение запаса мертвого вещества к живому в надземной и подземной сферах ((Dav+Lav+Vav)/(Gav+Rav)) характеризует жизнеспособность сообщества, показывает устойчивость к экстремальным почвенным и погодным условиям (Фартушина, 1972; Титлянова, 1979). Формирование G зависит от мощности корневой системы, поэтому важно знать не только их запасы, но и их соотношение (Rav/Gav), которое указывает на адаптивность фитоценозов к сложившимся экологическим условиям. При удовлетворительном результате соотношение больше 1 (Титлянова, 1978).

- Орско-Новотроицкий промузел:

Рис. 1. Схема расположения исследуемых участков

Максимальное и среднее значение в основных блоках исследуемых сообществ приведены в табл. 1.

Залесскоковыльно-полынково-типчаковое сообщество (Festuca valesiaca-Artemisia austriaca-Stipa zalesskii), располагающееся в 3 км от ОХМК. Доминант сообщества - дерновинный злак Festuca valesiaca Gaudin. Содоминантом является Stipa zalesskii Wilensky. Соотношение мортмассы к живой массе ((Dav+Lav+Vav)/(Gav+Rav)) в засушливый год составило 0,8, а во влажный – 0,6, что свидетельствует о высокой жизнеспособности развивающегося сообщества. В засушливый год адаптивность сообщества к экологическим условиям выше (5,3), чем во влажный (3,6) (табл. 1).

Залесскоковыльное сообщество (Stipa zalesskii), располагается в 0,5 км от ОХМК. Доминант сообщества - Stipa zalesskii. Соотношение мортмассы к живой массе ((Dav+Lav+Vav)/(Gav+Rav)) в засушливый год составляет 0,6, а во влажный – 0,7. Этот показатель приближен к 1, что указывает на устойчивость сообщества к окружающим воздействиям. Высокая адаптивность сообщества отмечена в засушливый год, - 6 ц/га, а во влажный - уменьшается в 2,5 раза (табл. 1).

Молочайно-пырейно-житняковое сообщество (Agropyron pectinatum-Elytrigia repens–Euphorbia virgata), располагается в непосредственной близости от ЮУНК. Доминантами растительного сообщества являются представители семейства злаковых: Agropyron pectinatum (Bieb) Beauv. и Elytrigia repens (L.) Nevski. Содоминант - Euphorbia virgata Waldst. et Kit. Отношение мортмассы к живой массе ((Dav+Lav+Vav)/(Gav+Rav)) в засушливый год составляет 1,2, а во влажный – 0,9, свидетельствуя о высокой жизнеспособности развивающегося сообщества. Соотношение живых блоков надземной к подземной массе составило в засушливый год - 7,9, а во влажный – 4,6 (табл. 1).

Грудницево-залесскоковыльное сообщество (Stipa zalesskii-Galatella villosa), располагается в 30 км от Орско-Новотроицкого промузла. Доминантом сообщества является Stipa zalesskii. Содоминантом - Galatella villosa (L.) Reich. f. Отношение мортмассы к живым блокам составляет в засушливый год – 0,5, а во влажный год – 0,9, что свидетельствует о сбалансированности органического вещества в блоках сообщества. Грудницево-залесскоковыльное сообщество отличается наилучшей адаптивностью по сравнению с другими исследуемыми сообществами (в засушливый год – 7,9, а во влажный – 4,6) (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика запаса органического вещества в основных блоках исследуемых сообществ, ц/га

Исследуемые сообщества Залескоковыльно-полынково-типчаковое Залесско-ковыльное Молочайно-пырейно-житняковое Грудницево-залесско-ковыльное
Блок/год 2006 2007 2006 2007 2006 2007 2006 2007
Gmax 55,0 35,6 46,7 72,0 25,3 37,2 40,0 20,0
Gav 17,4 21,9 27,5 48,2 16,0 26,3 32,6 14,7
Dav 0,6 0,8 0,8 2,5 0,3 1,2 1,1 1,1
Lav 3,2 4,3 25,3 19,6 33,0 32,2 21,8 6,9
Rmax 160,0 84,0 246,7 160,0 143,9 160,0 466,7 160,0
Rav 92,4 78,0 164,8 126,4 126,0 120,8 254,7 131,6
Vav 84,5 56,6 95,8 100,0 142,2 99,2 121,8 119,2

Установлено, что залесскоковыльно-полынково-типчаковое и молочайно-пырейно-житняковое сообщества проявляют высокую жизнеспособность в засушливый год, а залесскоковыльное и грудницево-залесскоковыльное сообщества – во влажный. Это связано с особенностями флористического состава фитоценозов, а также их местонахождения на территории промышленного узла.

Все исследуемые растительные сообщества проявляют наиболее высокую адаптацию к окружающим условиям в засушливый год, что связано с особенностями степных растений накапливать большую биомассу в подземной сфере.

В среднем, в засушливый год наибольшими показателями продуктивности отличается грудницево-залесскоковыльное сообщество (432,0 ц/га), а во влажный - залесскоковыльное сообщество (296,7 ц/га). Наименьшей продуктивностью отличается залесскоковыльно-полынково-типчаковое сообщество: в 2006 г. - 198,1 ц/га, а в 2007 г. - 161,6 ц/га.

Оценивая состояние и развитие исследуемых сообществ по динамике запаса органического вещества в основных блоках исследуемых сообществ, можно сделать вывод, что засушливый год является более продуктивным, чем влажный. Изучаемые растительные сообщества являются приспособленными к окружающим условиям, за счет изменения направленности продукционно-деструкционных процессов с учетом сложившихся климатических и экологических условий.

Продукционно-деструкционный процесс в исследуемых растительных сообществах. Для описания продукционно-деструкционных процессов в основных блоках мы использовали знак приращения. Продукционно-деструкционные процессы включают в себя не только прирост живой органической массы, но и отмирание растений или их отдельных частей, образование мортмассы и её минерализацию. Для обозначения минерализации нами вслед за Титляновой (1979) были приняты следующие значения: М – минерализация надземного органического вещества; W – его минерализация в подземной сфере.

Наиболее активные процессы по приращению надземной фитомассы в засушливый год наблюдались в залесскоковыльном сообществе, наименее - в грудницево-залесскоковыльном сообществе (табл. 2).

Во влажный год наибольший G отмечается в молочайно-пырейно-житняковом сообществе, наименьший – в залесскоковыльно-полынково-типчаковом.

Следует отметить, что продуктивность живой надземной массы в засушливый год выше, чем во влажный, за исключением грудницево-залесскоковыльного сообщества, развивающегося на контрольном участке, где продуктивность осталась практически неизменна (табл. 2).

Наибольший прирост живых корней, в засушливый год, отмечается в молочайно-пырейно-житняковом сообществе, наименьший R зафиксирован в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе.

Во влажный год наибольшее приращение R было в грудницево-залесскоковыльном сообществе, наименьшее в залесскоковыльном (табл. 2).

В надземной мортмассе процесс прибавки в блоках D и L в засушливый год наиболее активен в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе, меньше в молочайно-пырейно-житняковом и залесскоковыльном сообществах. Во влажный год прибыль в этих блоках наиболее значительна в молочайно-пырейно-житняковом, меньше в грудницево-залесскоковыльном сообществе.

Приход подземной мортмассы в засушливый год более продуктивен в молочайно-пырейно-житняковом сообществе, наименьшая прибавка отмечена в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе (табл. 2).

Во влажный год наибольшее приращение мертвых корней зафиксировано в грудницево-залесскоковыльном сообществе, а наименьшее V – в залесскоковыльном (табл. 2).

В блоках мортмассы исследуемых сообществ наблюдается снижение приращения во влажный год, по сравнению с засушливым, за исключением залесскоковыльно-полынково-типчакового сообщества (табл. 2).

Минерализация L и V в залесскоковыльно-полынково-типчаковом и грудницево-залесскоковыльном сообществах во влажный год менее активна, чем в засушливый, а в залесскоковыльном и молочайно-пырейно-житняковом, напротив, во влажный год улучшается по сравнению с засушливым (табл. 2).

При расчете продукционно-деструкционного процесса за период исследования в этих сообществах стоит заметить, что ритмика процессов отмирания и разложения связана с фазами развития видов, слагающих сообщество (доминанта и содоминантов), и с погодными условиями. Приращение подстилки зависит от погодных условий и накопления ветоши. Процесс минерализации L во влажный период более активен, чем в засушливый. Переход ветоши в подстилку происходит непрерывно в течение всего вегетационного периода, этот процесс учащается в период суховеев и осадков.

Глава 5. Особенности накопления химических элементов в основных блоках исследуемых сообществ

Баланс гумуса в растительных сообществах. При расчете за основу возможного пути поступления органического вещества в фитоценозы взят азот, который практически полностью сосредоточен в органическом веществе почвы (Ряховский, 2004). Средняя величина итогового баланса гумуса по площадкам за период исследования составляет максимальное значение в грудницево-залесскоковыльном (контрольный участок), минимальное – в залесскоковыльно-полынково-типчаковом (3 км от ОХМК) сообществах.

Особенности накопления макроэлементов в блоках исследуемых фитоценозов. Большее содержание азота обнаружено в залесскоковыльном сообществе, развивающемся в 0,5 км от ОХМК (ср. 436,4 кг/га), и молочайно-пырейно-житняковом фитоценозе (ср. 436,4 кг/га). В залесскоковыльно-полынково - типчаковом сообществе зафиксировано наименьшее содержание азота за весь период исследования (ср. 235,2 и 194,3 кг/га соответственно).

В засушливый год наибольшее количество Р содержится в блоках грудницево-залесскоковыльного сообщества (ср. 90,5 кг/кг), а во влажный - в молочайно-пырейно-житняковом сообществе (ср. 90,4 кг/кг).

Приоритетность по накоплению К за весь период исследования закрепляется за грудницево-залесскоковыльным сообществом (ср. по блокам 329,0 и 109,8 кг/га соответственно), наименьшая в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе (ср. 2,2 и 47,9 кг/га соответственно).

Наиболее активное накопление N, Р, К в исследуемых блоках растительных сообществ за два года исследований отмечается в зоне ВNP.

Таблица 2

Основные показатели в исследуемых сообществах, развивающихся на территории Орско-Новотроицкого промузла

Сообщество Залескоковыльно-полынково-типчаковое Залесско-ковыльное Молочайно-пырейно-житняковое Грудницево-залесско-ковыльное
Показатели/год
2006 2007 2006 2007 2006 2007 2006 2007
G 58,4 16,4 66,4 35,7 49,2 41,6 16,7 17,2
D 74,1 26,0 63,4 48,1 71,2 59,6 20,7 19,6
L 75,5 28,0 65,0 46,9 70,8 59,0 20,2 18,4
М 72,2 24,0 41,7 44,5 76,5 86,6 32,9 11,0
R 69,1 72,8 178,9 56,0 432,0 132,0 396,7 194,0
V 22,7 66,8 145,3 56,0 439,9 86,0 386,7 144,4
W 31,6 16,1 0 48,0 64,7 116,0 293,4 50,4
(Dav+Lav+Vav)/ (Gav+Rav) 0,8 0,6 0,6 0,7 1,2 0,9 0,5 0,9
Rav/Gav 5,3 3,6 6,0 2,6 7,9 4,6 7,8 9,0
Итог. баланс гумуса, кг/га 2749,1 2052,4 8122,9 3056,4 7480,6 3580,0 7770,8 3982,2
N+Р+К, мг/кг 373,0 277,4 633,4 403,3 455,0 502,3 822,5 389,8
содерж. ТМ в раст.сообщ., мг/кг 1235,1 4297,5 2508,6 4015,3 12046,3 72650,0 1350,5 2201,1

В засушливый год по среднесуммарному значению всех макроэлементов, накапливаемых в исследуемых блоках залесскоковыльного и грудницево-залесскоковыльного сообществ, значение было больше в 1,3-2 раза по сравнению с влажным годом. В двух других сообществах значения с течением времени практически не изменялись.

Временная динамика и приоритетность накопления тяжелых металлов в растительных сообществах. В засушливый год, с начала вегетационного периода, концентрация ТМ возрастала. К августу фактическая концентрация металлов значительно превышала предельно-допустимую концентрацию (ПДК) во всех блоках сообществ. Во влажный год преобладающее значение над ПДК зафиксировано во всех блоках с начала и до конца вегетационного периода. Выявлена приоритетность накопления тяжелых металлов в основных функциональных блоках растительных сообществ:

- в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе в наибольшей степени накапливается Mn и Ni, причем Ni занимает лидирующее положение в блоке G, а во влажный год и в блоке L. Менее активно аккумулируется Cd и Со;

- в залесскоковыльном сообществе в наибольшей степени в засушливый год в блоках G и L аккумулируется Mn. В блоках R и V лидирует Ni. В блоке D на первое место выходит Zn, оставляя за собой Mn и Ni в порядке снижения. Во влажный год в надземной сфере растительных сообществ лидирует Mn, в подземной – Ni. В ветоши на первом месте - Zn. Менее активно аккумулируется Cd, Co, Pb;

- в молочайно-пырейно-житняковом сообществе максимально концентрируется Ni, во всех исследуемых блоках. Далее в порядке снижения следует Mn и Со. Во влажный год в надземной сфере растительных сообществ лидирует Mn, в подземной – Ni. Менее активно сообществом аккумулируются Cd, Pb;

- в грудницево-залесскоковыльном сообществе отмечается следующая особенность накопления тяжелых металлов: в засушливый год в блоках G, R, и V накапливается Mn, далее в порядке снижения идут Zn и Ni. В блоке D на первое место выходит Ni, оставляя за собой Mn. В блоке L наиболее активно аккумулируются Cu. Во влажный год в фитомассе лидирует Ni, в остальных блоках – Mn, на второе место выходит Zn. Менее активно аккумулируется Cd, Co, Pb.

Высокое содержание Ni, относительно других ТМ, в основных блоках исследуемых сообществ связано с особенностями промышленной деятельности ЮУНК, где основным видом выпускаемой предприятием продукции является гранулированный никель.

Вычислив среднесуммарное накопление тяжелых металлов в исследуемых блоках растительных сообществ, за период исследования на первом месте отмечается молочайно-пырейно-житняковое сообщество (12046,3 и 72650,0 мг/кг); наименьшее количество ТМ зафиксировано в засушливый год - в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе (1235,1 мг/кг) и во влажный год - в грудницево-залесскоковыльном сообществе (2201,1 мг/кг).

Наибольшее количество ТМ в блоках исследуемых сообществ зарегистрировано во влажный год. Так, в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе во влажный год, по сравнению с засушливым, концентрация увеличилась в 3,5 раза; залесскоковыльном – 1,6; молочайно-пырейно-житняковом сообществе – 6; грудницево-залесскоковыльном сообществе – 1,6 раз. Причем наблюдается следующая тенденция: в залесскоковыльно-полынково-типчаковом и молочайно-пырейно-житняковом сообществах концентрация Zn, Ni, Pb, Mn увеличивается в одинаковых пропорциях (в 6 раз). Такая же зависимость отмечена между залесскоковыльном и грудницево-залесскоковыльном сообществами (в 1,5 раза). Это связано с тем, что залесскоковыльно-полынково-типчаковое и молочайно-пырейно-житняковое сообщества находятся примерно на одинаковом удалении от источника загрязнения, где и оседает большее количество ТМ. Залесскоковыльное сообщество, находящееся в непосредственной близости к ОХМК, возможно, располагается на таком удалении, где осаждение ТМ невелико. Напротив, грудницево-залесскоковыльное сообщество развивается на достаточном удалении от влияния промпредприятий (в 30 км), находясь в наименьшей досягаемости выбросов. Другой причиной такой зависимости может быть видовой состав сообществ. Так, в фитоценозах, где доминантом является Stipa zalesskii, содержание тяжелых металлов в общесуммарном зачете невысокое, в отличие от других исследуемых растительных сообществ.

В зависимости от особенностей природы ТМ, а также структуры, строения и расположение растительных сообществ, аккумуляция металлов блоками исследуемых фитоценозов проходит с различной активностью.

Среднегодовые показатели содержания ТМ в исследуемых растительных сообществах представлены на рис. 2-8.

Отклонение от ПДК тяжелых металлов в блоках растительных сообществ. ПДК – один из основных показателей, по которому оценивается и прогнозируется состояние экосистем, которые развиваются в условиях техногенного воздействия. При проведении исследований были использованы региональные ПДК для Cu, Zn, Cd, Pb и Ni1

[1]

(Ряховский, 2004).

Следует отметить, что в засушливый год зарегистрировано меньшее превышение ПДК металлов, по сравнению с влажным. Тем не менее, в общесуммарном зачете отмечается превышение по ПДК за весь период исследования. По суммарному значению () содержания металла в блоках исследуемых сообществ отмечается превышение ПДК по:

- Cu в молочайно-пырейно-житняковом сообществе в 4 раза в засушливый год, а во влажный – 7,8; в залесскоковыльном – в 1,4 раза – засушливый и в 1,9 раза – влажный год. По остальным сообществам превышение ПДК не зарегистрировано (рис. 2).

- Zn в залесскоковыльном– 1,5 раза в засушливый год, 2,8 раза во влажный; в молочайно-пырейно-житняковом сообществе -1,9 раза в засушливый год, - в 3,6 во влажный; залесскоковыльном – в 2,8; в залесскоковыльно-полынково-типчаковом – в 2,6 раза; грудницево-залесскоковыльном – в 1,5 раза (рис. 3).

- Cd в засушливый год в молочайно-пырейно-житняковом сообществе – в 7,7, а во влажный – в 6 раз; залесскоковыльном – 3,7 и 4,3 раза; в залесскоковыльно-полынково-типчаковом – 2,3 и 4,7 раза; грудницево-залесскоковыльном – в 2 раза (значение стабильно для всего периода исследования) (рис. 4).

- Pb - за весь период исследования, превышение металла в залесскоковыльном – 3,3 и 4,8 раза; молочайно-пырейно-житняковом сообществе – 2 и 5; залесскоковыльно-полынково-типчаковом – 1,7 (засушливый год); грудницево-залесскоковыльном – 1,6 и 2,3 раза (рис. 5).

- по Ni отмечено критическое превышение за период исследования: в молочайно-пырейно-житняковом – в 692 (засушливый год) и 4444 раза (влажный), залесскоковыльном – 78 и 77 раза; залесскоковыльно-полынково-типчаковом – 22 и 139; в грудницево-залесскоковыльном сообществах – 24 и 39 раза (рис. 6).

 Среднее содержание Cu Растительные сообщества: 1 --4

Рис. 2. Среднее содержание Cu

Растительные сообщества: 1 - залесскоковыльно-полынково-типчаковое; 2 - залесскоковыльное; 3 - молочайно-пырейно-житняковое; 4 - грудницево-залесскоковыльное.

 Среднее содержание Zn Среднее-5

Рис. 3. Среднее содержание Zn

 Среднее содержание Cd -6

Рис. 4. Среднее содержание Cd

 Среднее содержание Pb -7

Рис. 5. Среднее содержание Pb

 Среднее содержание Ni -8

Рис. 6. Среднее содержание Ni

 Среднее содержание Со Среднее-9

Рис. 7. Среднее содержание Со

 Среднее содержание Mn Таким образом, наибольшее-10

Рис. 8. Среднее содержание Mn

Таким образом, наибольшее превышение ПДК по исследуемым тяжелым металлам отмечается в молочайно-пырейно-житняковом сообществе за весь вегетационный период.

Наибольшее содержание Со отмечено в молочайно-пырейно-житняковомсообществе (рис. 7). Незначительное количество металла зарегистрировано в залесскковыльно-полынково-типчаковом и грудницево-залесскоковыльном сообществах.

По содержанию Mn в блоках сообществ отмечаются высокие показатели в засушливый год. Максимальное значение отмечено в молочайно-пырейно-житняковом сообществе (рис. 8).

Долевое участие тяжелых металлов в исследуемых фитоценозах. На основе динамики тяжелых металлов был вычислен процент содержания того или иного металла в каждый месяц вегетативного периода.

Установлено, что с мая по июль в засушливый год, в блоках залесскоковыльно-полынково-типчакового сообщества наибольший процент приходится на Ni, в конце вегетационного периода (август – сентябрь) на Mn. Меньшая доля исследуемых ТМ приходится на Cd и Со. Во влажный год с мая по август в растительном сообществе высока доля Mn, в сентябре – Ni. Наименьший процент поглощения приходится на Cd.

В блоках залесскоковыльного сообщества в засушливый год во всех месяцах, кроме августа (Mn), наибольшая доля участия принадлежит Ni, наименьшая – Со и Cd. Во влажный год процент содержания Ni наиболее высок, по отношению к другим металлам в мае и сентябре, а в остальные периоды высока доля Mn. Незначительная доля принадлежит Cd.

В блоках молочайно-пырейно-житнякового сообщества в засушливый год за весь вегетационный период высока доля участия Ni, это связано с непосредственной близостью исследуемого сообщества с ЮУНК. Незначительная доля приходится на Cd, Со и Pb. Во влажный год приоритет также остается за Ni. Наименьший процент участия у Cd.

В блоках грудницево-залесскоковыльного сообщества в засушливый год, с мая по июль, наибольший процент приходится на Ni, а в конце вегетационного периода (август, сентябрь) на Mn. Незначительна доля участия в засушливый год – Со и Cd. Во влажный год, за время всего вегетативного периода, наиболее высокий процент поглощения Mn. Наименее значимо участие Cd.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Несмотря на то, что 2007 г. был более влажным, продукционные процессы в сфере ANP шли активнее в засушливый год (табл. 2). В подземной сфере BNP, за исключением залесскоковыльно-полынково-типчакового сообщества, наблюдалась такая же тенденция. Активность минерализации подстилки и мертвых корней снижается во влажный год, по сравнению с предыдущим в залесскоковыльно-полынково-типчаковом и грудницево-залесскоковыльном, а в залесскоковыльном и молочайно-пырейно-житняковом, напротив, возрастает. Для последних двух сообществ наблюдается сходство и в отношении содержания макроэлементов, которое также возрастает во влажный год по сравнению с засушливым (табл. 2).

При усиленной минерализации мортмассы образуется необходимое количество макроэлементов, необходимое для полноценного развития сообщества.

Наибольшей жизнеспособностью отличается молочайно-пырейно-житняковое сообщество, особенно в засушливый год. Тем не менее, стоит заметить, что при общей увеличивающейся техногенной нагрузке, во влажный год залесскоковыльное и грудницево-залесскоковыльное сообщества становятся более жизнеустойчивыми. При этом грудницево-залесскоковыльное сообщество улучшает и свою адаптивность, чего нельзя сказать о других сообществах.

По результатам проведенных исследований следует отметить, что молочайно-пырейно-житняковое сообщество, развивающееся в непосредственной близости к промпредприятию и находящееся на территории г. Орска, обладает наибольшей жизнеустойчивостью и высокой адаптивностью к сложившимся техногенным условиям, но при этом баланс гумуса незначителен, а в исследуемых блоках фитоценоза отмечается максимальное содержание ТМ. Грудницево-залесскоковыльное сообщество, расположенное в 30 км от промзоны, обладает также высокой жизнеспособностью и адаптивностью, при этом показатели баланса гумуса имеют наилучшее значение среди исследуемых участков, а в основных блоках этого фитоценоза содержание тяжелых металлов незначительно.

Таким образом, оценивая состояние и развитие исследуемых сообществ, можно сделать вывод, что фитоценозы, развивающиеся в зоне Орско-Новотроицкого промышленного узла, адаптированы к сложившимся условиям и являются жизнеспособными. Изучаемые растительные сообщества выходят из кризисного состояния путем изменения направленности процессов, с учетом сложившихся климатических и экологических условий (табл. 2).

ВЫВОДЫ:

1. Продукционно-деструкционные процессы наиболее активно проходят в блоках грудницево-залесскоковыльного и залесскоковыльного сообществ. Наиболее низкопродуктивным является залесскоковыльно-полынково-типчаковый фитоценоз.

2. В засушливый год запас органического вещества в исследуемых сообществах, масса новообразованного и минерализованного гумуса, а также содержание макроэлементов имеют более высокие показатели. Концентрация ТМ выше – во влажный год. Накопление макро- и микроэлементов активнее происходит в подземной сфере растительных сообществ.

3. В растительных сообществах, развивающихся в зоне Орско-Новотроицкого промышленного узла, наиболее активно накапливаются Mn и Ni, в меньшей степени Cd, Co и Pb. Отклонение от ПДК в сторону превышения, увеличивающееся к концу вегетационного периода, отмечено во всех блоках исследуемых сообществ. По мере приближения к промузлу концентрация ТМ увеличивается во всех исследуемых блоках растительных сообществ.

4. Отмечено сходство показателей содержания ТМ между залесскоковыльно-полынково-типчаковым и молочайно-пырейно-житняковым сообществами, что связано с приблизительно одинаковым удалением от источника загрязнения, а также залесскоковыльным и грудницево-залесскоковыльным сообществами, для которых характерно сходство видового состава.

5. Растительные сообщества, развивающиеся в зоне действия Орско-Новотроицкого промышленного узла, обладают высокой адаптивностью, жизнеспособностью и выходят из кризисного состояния путем изменения направленности процессов, с учетом сложившихся климатических и экологических условий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих научных журналах

1. Чикенёва И.В., Кин Н.О. Динамика растительного покрова развивающегося в условиях воздействия промышленных предприятий (на примере Орско-Новотроицкого промузла Оренбургской области) Естественные и технические науки №6(32) 2007. С. 77-83.

2. Чикенёва И.В., Кин Н.О., Климентьев А.И. Продукционно-деструкционный процесс в подземных органах растительных сообществ Орско-Новотроицкого промузла // Известия ОГАУ/ №2 (18). Оренбург - 2008. С. 217-219.

3. Чикенёва И.В., Кин Н.О. Особенности накопления тяжелых металлов в исследуемых растительных сообществах, развивающихся в зоне промпредприятий Орско-Новотроицкого промузла // Известия ОГАУ / №3. Оренбург – 2009. С. 195-198.

Статьи, опубликованные в региональных журналах и сборниках

4. Чикенёва И.В., Кин Н.О. Основные методы изучения особенностей формирования растительных сообществ на территории Орско-Новотроицкого промузла / Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий. Мат-лы III междунар. науч. конф. – Оренбург, 2006. С. 141-143.

5. Кин Н.О. Чикенёва И. В. Современное состояние степных экосистем развивающихся под влиянием промышленных производств /Степи Северной Евразии. Мат-лы IV междунар. симп. – Оренбург: ИПК «Газпромпечать» ООО «Оренбург – газпромсервис», 2006. С. 352-353.

6. Кин Н.О., Чикенёва И.В. К изучению содержания тяжелых металлов в культурных растениях Орско-Новотроицкого промузла Оренбургской области. Тр. XI Всер. конгресса «Экология и здоровье человека». – Самара, 2006. С. 109-112.

7. Чикенева И.В., Климентьев А.И. Содержание тяжёлых металлов в растительных сообществах развивающихся под влиянием Орско-Новотроицкого промузла. Труды Института биоресурсов и прикладной экологии /Мат-лы IV междунар. конф. «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» / – Оренбург: ОГПУ, 2008. С. 163-165.

Статьи, опубликованные на Интернет-сайте

8. Чикенёва И.В. / By Chikeneva I.V. Об актуальности изучения воздействия техногенных выбросов в районе Орско-Новотроицкого промузла Оренбургской области./ Интернет-сайт: http: // www.scert. ru/ru/conference/enviromis 2006/statictics/.

Подписано в печать 25.09.2009 г.

Усл. печ. л. 1,6. Тираж 100 экз.

460044, г. Оренбург, ул. Советская, 19.

Оренбургский государственный педагогический университет


[1] - для Со и Mn предельная концентрация не установлена



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.