WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Влияние нефтяного загрязнения на растительный покров и свойства почв (на примере степной зоны предуралья)

На правах рукописи

Ермакова Ольга Юрьевна

Влияние нефтяного загрязнения

на растительный покров и свойства почв

(на примере степной зоны Предуралья)

Специальность: 03.02.01 – Ботаника, 03.02.08 – Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Оренбург – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный педагогический университет»

Научный руководитель: Русанов Александр Михайлович доктор биологических наук, профессор
Рябинина Зинаида Николаевна доктор биологических наук, профессор
Официальные оппоненты: Соловых Галина Николаевна доктор биологических наук, профессор Демкин Виталий Александрович доктор биологических наук, профессор
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Защита диссертации состоится «27» декабря 2011 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.180.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный педагогический университет» по адресу: 460014, г. Оренбург, ул. Советская, 19. Тел.(факс): 8 (3532) 77-24-52. Е-mail: ibrae@ospu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет».

Автореферат разослан «26» ноября 2011 г. и размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет» www.ospu.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат биологических наук, доцент Н.И. Мушинская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами в последнее время составляет одну из наиболее актуальных проблем экологии. Важным аспектом этой проблемы является влияние углеводородного загрязнения на почвы и растительность. Изучение влияния загрязнения почвы нефтью и изменения в этой связи экологии растений имеет важное теоретическое и практическое значение. Это связано, прежде всего, с масштабами загрязнения углеводородами нефти окружающей среды. В пределах Оренбургской области находится 162 крупных месторождения нефти, 25 месторождений нефти и газа и 16 месторождений нефти и газового конденсата.

Многочисленные исследования показывают крайне негативное влияние нефтяного загрязнения почвы на рост и развитие растений. При этом основными факторами являются токсическое действие углеводородов нефти и изменение физико-химических свойств почвы. Рост гидрофобности и другие изменения физических свойств почвы обусловлены тяжелыми фракциями углеводородов, а прямой токсический эффект определяется легкими фракциями углеводородов нефти. Кроме того, обволакивание нефтью почвенных частиц препятствует миграции подвижных форм фосфора, азота, калия и других незаменимых элементов в раствор и тем самым может вызвать угнетение растений за счет недостатка элементов питания. Растения в процессе своей жизнедеятельности входят в сложные взаимоотношения с микроорганизмами, населяющими почву. Нефтяное загрязнение вызывает изменения в растительно-микробных комплексах, в первую очередь в границах ризосферы, где происходит адаптация микробиоты к условиям окружающей среды.

Имеющиеся данные в отношении действия углеводородов нефти на растения весьма противоречивы. Недостаточно изучено видовое разнообразие растений, способных произрастать на нефтезагрязненных почвах. Знание степени устойчивости растений к углеводородному загрязнению необходимо для решения вопросов, связанных, с одной стороны, с возможностью их возделывания на загрязненной почве, а с другой – с использованием для восстановления нарушенного почвенного плодородия (фиторемедиация).

В связи с выше изложенным большой научный и практический интерес представляет изучение влияния различных доз нефти на изменение растительного покрова, свойства почв и оценка их фитотоксичности, что в совокупности определяет актуальность заявленной темы.

Цель работы – исследование динамики растительного покрова и основных свойств чернозема южного Оренбургского Предуралья под влиянием различных доз нефтяного загрязнения.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие основные задачи:

  • изучить динамику растительного покрова на черноземах южных в условиях разных доз нефтяного загрязнения;
  • оценить фитотоксичность исследуемых почв при различных концентрациях нефтяного загрязнения;
  • определить степень влияния различных доз нефтяного загрязнения на основные свойства чернозема южного;
  • выявить способность исследуемых почв к самовосстановлению.

Объекты исследования. Объектами исследования послужили участки чернозема южного степной зоны Предуралья.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • впервые выявлена степень устойчивости растительного покрова в условиях типичной степи Предуралья при нефтяном загрязнении почв;
  • впервые выполнен комплексный анализ экологического состояния чернозема южного в условиях нефтяного загрязнения;
  • впервые в почвенно-климатических условиях региона определены уровни концентрации нефти, при которых возможно восстановление основных свойств чернозема южного и видового состава растительности без применения методов рекультивации.

Практическая значимость работы:

Результаты исследования могут использоваться при решении вопроса обустройства дополнительных скважин Восточного участка Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) и применяться при решении вопросов диагностики и нормирования содержания нефти в почвах в рамках регионального экологического мониторинга земель.

Положения, выносимые на защиту:

1. Загрязнение чернозема южного разными концентрациями нефти проявляется через уменьшение общего проективного покрытия фитоценоза, доли видов семейств мятликовых, розоцветных и астровых. Высокий уровень загрязнения почвы нефтью (более 5000 мг/кг) влечет за собой возрастание их фитотоксичности по отношению к индикаторным тест-культурам.

2. Концентрации нефти 12 и 18 % отрицательно влияют на физические, химические и биологические свойства чернозема южного, снижают видовое разнообразие растений и ухудшают их экологическое состояние.

3. При невысоких концентрациях нефти (до 3%) в течение трех лет черноземы южные способны практически полностью восстановить свои свойства и, как следствие, произрастающую на них растительность.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и докладывались: на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование», г.Оренбург – Пермь, 2008 год; на Всероссийской научной конференции «Охрана окружающей среды на объектах нефтегазового комплекса», г. Туапсе, 2006 год; на VII Всероссийской научной конференции с международным участием студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК», г. Астрахань, 2011 год; на V Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала», г. Оренбург, 2011 год.

Публикации. По теме исследования опубликовано 10 научных работ, в том числе 6 статей в изданиях, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, описания объектов и методов исследования, двух глав собственных исследований, выводов и списка использованных источников. Диссертация содержит 15 рисунков, 11 таблиц, список использованных источников из 196 наименований, в том числе 23 на иностранных языках, 9 приложений.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, цель и задачи работы.

1 Влияние разработки нефтегазоконденсатного месторождения на естественную растительность и почвы

В главе анализируются имеющиеся литературные данные, касающиеся проблемы изменения растительного покрова и экологического состояния почвенного покрова под влиянием нефтяного загрязнения. Описано влияние нефтяного загрязнения на устойчивость естественных фитоценозов и фитотоксичность почв, физические и химические свойства почв, на изменение их микробиологической и ферментативной активности. Рассмотрены вопросы биомониторинга, фиторемедиации и проблемы нормирования загрязненных нефтью почв.

2 Объекты и методы исследования

Объектами исследования послужили квазинатуральные растительные сообщества Оренбургского Предуралья, представленные типчаково-ковыльным сообществом (Stipa lessingiana Trin. еt Rupr. + Festuca valesiaca Gaudin) на черноземе южном карбонатном среднемощном (гумус 2,7%, pH=7,80, Nобщ – 0,26%). Стационарный опыт был заложен на выровненных экспериментальных площадках размером 1м2 в трехкратной повторности для геоботанических, ботанических и почвенных исследований. Всего было заложено 12 нефтезагрязненных площадок (концентрация нефтяного загрязнения – 3, 6, 12, 18% от массы почвы) и 3 контрольных площадки (незагрязненная почва). Для загрязнения использовали товарную нефть Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (содержание парафинов – 2,4%, серы – 2,5%, плотность
883 – 893 кг/м3). Почвенные образцы отбирались из верхнего слоя почвы – 0-30 см. Опыт проводился в течение трех лет – 2008, 2009 и 2010 год. Длительность нефтяного загрязнения рассчитана от 2008 года.

Методы исследования включали традиционные лабораторные анализы и полевые наблюдения. Выявление флористического состава осуществлялось с помощью современных литературных источников (Флора нижнего Поволжья, т.т. 1,2, 2006; Рябинина, Князев, 2009). Геоботанические описания растительности проводились общепринятыми методами (Раменский, 1956; Шенников, 1961; Ипатов, 2000; Ипатов, Мирин, 2008). Фитотоксичность загрязненной почвы определяли в соответствии с ГОСТ РИСО 22030-2009, 2010. Численность микроорганизмов в почве определяли с помощью посева почвенной суспензии на твердые питательные среды. Продуцирование углекислого газа почвой определяли по Макарову Б.Н. в модификации Галстяна А.Ш. (1986). Активность каталазы исследовалась с помощью газометрического метода Галстяна А.Ш. (1986). Целлюлозолитическую активность почв – по Звягинцеву Д.Г. (1991). Содержание органического вещества в почве и фракционно-групповой состав гумуса – по методу Тюрина И.В. (1993, 1968). Анализ проб на содержание нефтепродуктов был проверен согласно ПНДФ 16.1:2.2.22-98. Определение плотности почвы осуществлялось буровым методом (1986). Определение водопроницаемости проводилось методом трубок по Вадюдиной А.Ф., Корчагиной З.А. (1986). Агрегатный анализ выполнялся методом сухого и мокрого просеивания по Саввинову Н.И. (1977).

3 Динамика растительного покрова и фитотоксичность
загрязненных нефтью почв

3.1 Влияние нефтяного загрязнения на растительный покров и фитотоксичность чернозема южного в условиях полевого эксперимента

Систематический список высших растений района исследований включает 204 вида, 153 рода, относящихся к 55 семействам. Наиболее многочисленны в родовом отношении следующие семейства: Asteraceae, Poaceae, Fabaceae, Rosaceae, Lamiaceae. Наибольшим количеством видов представлены семейства: Asteraceae, Poaceae, Fabaceae, Rosaceae, Lamiaceae. Самые многовидовые роды Artemisia, Astragalus, Potentilla, Stipa (табл.1).

Флористический состав экспериментальных участков (не загрязненных нефтью) представлен такими семействами как Asteraceae, Fabaceae и Poaceae (табл. 1). В их состав входят 10, 7 и 8 видов растений, что составило 21,7 %, 15,2 %, 17,4 % от общего количества видового состава соответственно. Целинный участок на начальном периоде исследования (2008 г.) был представлен типчаково-ковыльным сообществом (Stipa lessingiana Trin. еt Rupr. + Festuca valesiaca Gaudin). Общее проективное покрытие составляло 60 – 75 %, высота травостоя 40 – 50 см. На долю мятликовых и бобовых приходится 8 и 7 видов, на долю разнотравья – 31 вид. Единично в травостое присутствовали Chenopodiaceae L., Ranunculus acris L. и т.д.

Таблица 1 – Флористический состав контрольных участков
исследования на черноземах южных

Название семейства Число видов % от общего числа видов Число родов в семействе
1 Asteraceae 10 21,7 7
2 Poaceae 8 17,4 3
3 Fabaceae 7 15,2 4
4 Scrophulariaceae 4 8,7 3
5 Rosaceae 3 6,5 2
6 Apiaceae 2 4,3 2
7 Polygonaceae 2 4,3 2
8 Rubiaceae 2 4,3 1
9 Chenopodiaceae 1 2,2 1
10 Ranunculaceae 1 2,2 1

В результате эксперимента было выявлено, что нефтяное загрязнение отразилось на формировании побегов и, в дальнейшем, на прохождении фазы цветения. При дозах загрязнения 6, 12 и 18 % фаза бутонизации наступила в более поздние сроки. Наблюдения показали, что значительные дозы нефти в почве приводили к высыханию листовой пластины и, как следствие, к гибели растений. Из содержания таблицы 2 следует, что наиболее чувствительными видами к нефтяному загрязнению являются представители семейства Мятликовых (Poaceae Barnhart.) на первых сроках загрязнения. Виды семейств Астровые (Asteraceae Dumort.) и Розоцветные (Rosaceae Juss.) также оказались не устойчивыми к минимальным дозам углеводородного загрязнения, особенно при его длительных сроках. Наиболее устойчивые виды встречаются среди семейства Бобовых (Fabaceae Lindl.).

Таблица 2 – Флористический состав участков исследования, загрязненных различными концентрациями нефти

№ п/п Семейство Содержание нефти в почве, % Число видов
0 3 6 12 18
2008
1 Poaceae 8 7 6 2 1
2 Polygonaceae 2 2 2 2 1
3 Rosaceae 3 2 2 0 0
4 Fabaceae 7 7 7 7 5
5 Asteraceae 10 8 6 1 0
6 Ranunculaceae 1 1 1 0 0
2010
1 Poaceae 8 8 8 6 5
2 Polygonaceae 2 2 2 2 2
3 Rosaceae 3 3 3 2 1
4 Fabaceae 7 7 7 7 7
5 Asteraceae 10 10 8 3 0
6 Ranunculaceae 1 1 1 1 0

Участки, загрязненные нефтью в первый год наблюдений, отличались снижением общего проективного покрытия, которое составляло 55% при 3-х %-ом загрязнении и всего 15% при 18%-ой дозе нефти. Средняя высота травостоя снижалась от 30-35 до 9-12см. Уже при невысоких дозах загрязнения (3, 6%) из травостоя исчезла кровохлебка лекарственная (Sanguisorba officinalis L.) и лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria L.), которые встречаются только на целине. Эти растения наиболее требовательны к влаге, количество которой снижается на участках загрязненных нефтью.

При 6, 12 и 18%-ой дозе нефти из травостоя исчезают тимофеевка степная (Phleum phleoides (L.) Karst.) и мятлик луговой (Poa pratensis L.). Значительно сократилась доля козлобородника большого (Tragopogon major Jacq.), одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.), тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L.), мятлика узколистного (Poa angustifolia L.), ковыля Лессинга (Stipa lessingiana Trin. & Rupr.). Большинство из вышеперечисленных видов имеют мочковатую корневую систему и остро реагируют на увеличение плотности нефтезагрязненных почв. Полное исчезновение одних видов и сокращение других может быть связано не столько с физиологическими особенностями растений, сколько с неравномерным распределением нефти по поверхности и профилю почвы. Вязкая природа нефти и полидисперсность почвы не позволяют смоделировать идеально равномерное распределение загрязнителя на опытном участке.

В 2009 году на участке с 3-х %-ой дозой нефти такие показатели угнетения естественной растительности как фитомасса, высота травостоя и общее проективное покрытие недостоверно отличаются от контрольного участка. На участках с более высокой концентрацией нефти явления угнетения растительности подтверждаются результатами математической обработки (Microsoft Office Excel 2003, Statistica StatSoft 6.0).

На завершающем этапе исследований (2010 г.) практически полностью восстанавливаются участки с 3-х %-ой дозой нефти. Лишь некоторые виды представлены единично в отличие от незагрязненной почвы. Среди них – Poa angustifolia L., Festuca valesiaca Gaudin., Stipa lessingiana Trin. & Rupr. (семейство Poaceae). При 6%-ом загрязнении присутствие видов ниже на 25-30%, чем на контрольном участке, но нет исчезающих. Процесс их дальнейшего выпадения прекращается. При более высоких концентрациях нефти некоторые виды, отмеченные на контроле, отсутствуют и на последнем году эксперимента.

Таким образом, к индикационным признакам степени загрязнения чернозема южного нефтью следует отнести уменьшение общего проективного покрытия фитоценоза, снижение в видовом составе доли мятликовых, розоцветных и астровых, выпадающих из травостоя начиная с небольших доз загрязнения.

Среди изученных видов растений наиболее устойчивыми к нефтяному загрязнению оказались Клевер ползучий (Amoria repens (L.) C. Presl.), Люцерна серповидная (Medicago falcata L.), Клевер луговой (Trifolium pratense L.), Эспарцет песчаный (Onobrychis arenaria (Kit.) DC.), Горошек мышиный (Vicia cracca L.). При снижении концентрации нефтяного загрязнения к осени 2009-весне 2010 года первыми на восстанавливающейся почве появляются виды семейства злаковых, исчезнувшие на ранних сроках загрязнения – Кострец безостый (Bromopsis inermis (Leyss.) Holub.), Пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski.), Овсяница волжская (Festuca valesiaca Gaudin.), Лисохвост луговой (Alopecurus pratensis L.)

Динамика геоботанических показателей участков, загрязненных различными дозами нефти за 2008, 2010 года представлена в таблице 3.

Таблица 3 – Динамика геоботанических показателей участков,
загрязненных различными дозами нефти

Концентрация загрязнителя, % Остаточное содержание нефти, мг/кг Геоботанические показатели
Общее проективное покрытие, % Средняя высота травостоя, см Подземная
фитомасса, ц/га
Надземная
фитомасса, ц/га
Общие запасы фитомассы, ц/га Отношение подземной фитомассы к надземной
2008 год
Контроль (0%) 3±0,7 75-65 50-45 198,0 86,4 284,4 2,3
3% 2 563± 640,8 60-55 35-30 190,2 82,5 272,7 2,3
6% 4 892± 1 223,1 50-35 18-15 98,3 75,4 173,7 1,3
12% 11 255± 2 813,8 25-20 16-12 74,1 58,7 132,8 1,3
18% 16 989± 4 247,3 20-15 12-9 30,2 25,6 55,8 1,2
2010 год
Контроль (0%) 2,0±0,5 70-60 45-35 179,5 79,6 259,1 2,3
3% 254,5± 63,6 65-60 40-35 171,4 73,9 245,3 2,3
6% 1 347,5± 336,9 60-55 30-20 115,6 69,3 184,9 1,7
12% 5 567,0± 1 391,8 30-25 18-15 91,3 65,8 157,1 1,4
18% 11 076,0± 2 769,0 20-15 15-10 36,7 29,4 66,1 1,2

Исследования 2008 года показали, что с ростом дозы нефтяного загрязнения биопродуктивность растительных сообществ уменьшается. Объем подземной фитомассы также снижается, что связано с изменением видового состава фитоценозов, его обилием и с анатомическим строением корневых систем растений, получивших распространение в новых экологических условиях: мочковатая у мятликовых заменяется стержневой большинства видов степного разнотравья. На момент завершения исследования (2010 г.) целинная растительность контрольного участка осталась без изменений. Общее проективное покрытие составило 70 – 60 %. Высота надземных побегов в сообществах уменьшилась до 45 – 35 см, что, видимо, связано с погодными (засушливыми) условиями года исследования. Флористическое богатство на площадке описания представлено 46 видами. Доминирующее положение, так же как и в 2008 году, продолжают занимать Stipa lessingiana Trin. et Rupr и Festuca valesiaca Gaudin. Величина подземной фитомассы оказалась в 2,3 раза больше надземной и составила 179,5 ц/га. Общие запасы фитомассы составили- 259,1 ц/га. На участках с 3 % загрязнением остаточное содержание нефти к 2010 году достигает допустимого уровня (~ 394,3 мг/кг). Геоботанические показатели исследуемых участков с этим уровнем загрязнения приближаются к таковым на контрольном участке.

Участки с 6, 12 и 18% дозой нефти по-прежнему демонстрируют снижение общего проективного покрытия до 15%, средней высоты травостоя до 10 см, надземной и подземной биомассы до 29,4 ц/га и
36,7 ц/га соответственно и снижение запасов гумуса до 66,1 ц/га.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что растениями, наиболее устойчивыми к нефтяному загрязнению почв, являются представители семейства Fabaceae. По данным многих авторов (Илларионов С.А., 2003; Салахова Г.М., 2007; Киреева Н.А., 2005) именно бобовые и некоторые виды мятликовых используются в качестве фитомелиорантов нефтезагрязненных почв.

3.2 Оценка фитотоксичности загрязненного нефтью чернозема южного в лабораторных условиях

Для определения фитотоксичности почв в лабораторных условиях принято использовать быстрорастущие однолетние однодольные и двудольные растения. В данной работе использовались четыре индикаторные тест-культуры: Phaseolus vulgaris L, Raphanus sativus L. convar. radicula, Lepidium sativum L, Spinacia oleracea L.

Исследования всхожести семян тест-культур на чернозёме южном, загрязнённом различными дозами нефти, показали, что наиболее пагубное влияние нефть оказала на семена Spinacia oleracea L. (рисунок 1).

Выявлено, что всхожесть семян (y) тест-культур в течение трех лет уменьшается с возрастанием концентрации нефтяного загрязнения (x) и описывается уравнениями следующего вида: y = 87,7 – 4,5•x (Spinacia oleracea L); y = 98,2 – 1,3•x (Lepidium sativum L); y =102,6 – 1,9•x (Raphanus sativus L); y = 99,2 – 3,9•x (Phaseolus vulgaris L).

В контрольном образце наиболее высокий процент всхожести во всех вариантах опыта оказался у Lepidium sativum L,.

В образцах с дозой нефти 3, 6 и 12 % всхожесть семян Lepidium sativum L достоверно не отличается от контрольного образца и уменьшается при 18 %-ом загрязнении. Подобная тенденция обнаруживается и при исследовании всхожести семян Phaseolus vulgaris L и Raphanus sativus L. convar. radicula (рис.1).

 а б в Всхожесть семян-3

а

 б в Всхожесть семян тест-культур в-4

б

в

Рисунок 1 – Всхожесть семян тест-культур в нефтезагрязненной почве: а – 2008 г.; б – 2009 г.; в – 2010 г.

При изучении влияния нефтяного загрязнения на энергию прорастания семян тест-культур выявилась общая закономерность. У всех растений процент нормально проросших семян максимален в контрольном образце. В 2008 году доза нефти 6, 12 и 18% вызывает снижение энергии прорастания семян всех тест-культур более чем на 20%, что свидетельствует о проявлении фитотоксического эффекта. В 2009 году такая ситуация наблюдается при 12%-ом загрязнении, а в 2010 году – при
18%-ой дозе нефти. Семена Spinacia oleracea L во всех вариантах опыта демонстрируют самые низкие значения энергии прорастания.

При исследовании воздействия нефтяного загрязнения на длину проростков Phaseolus vulgaris L обнаружено, что в 2008 году при 3 %-ой дозе загрязнителя длина надземной части растения Phaseolus vulgaris L, по сравнению с контрольным образцом, уменьшилась на 50 %, а длина корней сократилась почти в 4 раза. При 6%-ом загрязнении почвы нефтью длина надземной части растений Phaseolus vulgaris L уменьшается практически в 6 раз, а длина подземной части – в 10 раз. На почвенных образцах с концентрацией нефтяного загрязнения 12 и 18% данная тест-культура не проросла. В 2009 году растения не проросли лишь при
18%-ой дозе нефти. В 2010 году при максимальной дозе нефти растения Phaseolus vulgaris L проросли, но имели минимальную длину как надземной части, так и корней. Доза нефти в почве в 3 и 6% не вызывали фитотоксического эффекта по отношению к данной тест-культуре на третий год после загрязнения.

Исследования длины проростков Raphanus sativus L показали, что в первый год загрязнения уже 3%-ая доза нефти вызывает слабый фитотоксический эффект, который не был выявлен в 2009 и 2010 годах. Через три года после загрязнения (2010 год) растения Raphanus sativus L слабо прорастают при максимальной концентрации нефти. На этом сроке инкубации фитотоксический эффект не проявляется при 3%-ой дозе нефти, а 6%-ая доза нефти вызывает слабую фитотоксичность.

Аналогичная ситуация наблюдалась с проростками Lepidium sativum L. Длина и надземной и подземной части растений Lepidium sativum L максимальна в контрольном образце почвы. В 2008 году при
3 %-ом загрязнении длина надземной части уменьшается в 4,5 раза, по сравнению с контрольным образцом, а длина корней – в 4 раза. Но растения Lepidium sativum L оказались более чувствительны к нефтяному загрязнению, чем предыдущие тест-культуры. Семена этого растения не проросли уже при 6%-ом загрязнении почвы нефтью, а 3%-ое загрязнение оказало высокий фитотоксический эффект. На второй год после загрязнения образцы чернозема южного так же демонстрировали высокие (при 6%) и средние (при 3%) значения фитотоксичности. Подобная тенденция наблюдается и в 2010 году, но растения Lepidium sativum L проросли при 12%-ом загрязнении. Максимальная доза нефти (18%) на всех сроках инкубации оказывала токсический эффект полностью угнетающий рост растений Lepidium sativum L.

Растения четвёртой тест-культуры (Spinacia oleracea L) в 2008 году проросли только в контрольном образце почвы, что свидетельствует о высокой чувствительности растения к нефтяному загрязнению. В 2009 году растения Spinacia oleracea L проросли при 3 %-ом загрязнении, но фитотоксичность почвы была высокой для этой тест-культуры. В 2010 году высокая фитотоксичность наблюдается при 6 %-ой дозе нефти. На участках с дозой нефти 12 и 18 % растения Spinacia oleracea L не проросли на всех сроках инкубации.

Данные, полученные при исследовании фитомассы тест-культур, позволили выявить закономерности, аналогичные описанным выше.

Следовательно, Lepidium sativum L и Spinacia oleracea L. демонстрируют высокую чувствительность к нефтяному загрязнению. Однако наиболее чувствительной к загрязнению культурой оказался Spinacia oleracea L., что может свидетельствовать о высокой индикационной способности этого растения к углеводородному загрязнению почв. Однако результаты исследования показали, что Spinacia oleracea L. изначально демонстрировал самую низкую всхожесть и энергию прорастания семян. На этом фоне целесообразным решением стало применение двухфакторного дисперсионного и корреляционного анализа с целью выявления силы влияния нефтяного загрязнения на токсичность исследуемых образцов. Кроме того, учитывались биологические особенности произрастания самих культур (фон), а также вклад посторонних (остаточных) факторов.

Проведенный дисперсионный анализ показал, что в определении итогового уровня фитотоксичности значимый вклад вносит как нефть, так и биологические особенности произрастания тест-культур. Однако вклад значения особенностей произрастания наиболее велик при выращивании Spinacia oleracea L.. Наибольший вклад такого фактора, как нефть, наблюдается у Lepidium sativum L. Данные корреляционного анализа так же демонстрируют самые высокие показатели коэффициента корреляции между фитотоксическим эффектом и концентрацией нефтяного загрязнения чернозема южного по отношению к Lepidium sativum L.

Таким образом, по результатам исследований тест-культурой, которая одновременно может быть индикатором нефтяного загрязнения и не сильно зависеть от внешних условий среды, можно считать Lepidium sativum L.

3.3 Предложения и рекомендации по снижению неблагоприятного влияния нефти на растительный покров

Важным условием снижения, контроля и прогноза неблагоприятного влияния нефти на растительный покров является система организованного фитомониторинга. Программа фитомониторинговых исследований в целом может включать следующие блоки: мониторинговые исследования флоры, которые должны осуществляться в 3 направлениях: отслеживание состояния и динамики популяций редких растений, занесенных в Красные книги различных рангов, реликтов, эндемиков; мониторинг состояния растительности, что предполагает заложение сети мониторинговых геоботанических площадей в различных типах растительных сообществ изучаемой территории; геохимический мониторинг растительного покрова, который позволит оценить содержание и наличие (или отсутствие) биогенной аккумуляции химических элементов в вегетативных органах растений.

4 Влияние различных концентраций нефтяного загрязнения на основные свойства почвенной экосистемы

Рассуждения о влиянии нефтяного загрязнения черноземов на видовой состав естественной растительности и на растительный покров не могут быть полными без данных о влиянии нефти на свойства самих почв.

4.1 Физические свойства чернозема южного при нефтяном
загрязнении

Оценка структурно-агрегатного состояния контрольного участка по результатам сухого просеивания показала снижение коэффициента структурности вниз по почвенному профилю, что определяет ее устойчивое сложение и хорошую оструктуренность верхней части профиля с последующем снижением ее до удовлетворительной. В 2008 г. дозы нефти 3, 6 и 12% способствуют увеличению коэффициента структурности (Кстр) по сравнению с контролем. На участках, загрязненных
18%-ой концентрацией нефти наблюдается снижение структурности до неудовлетворительной.

В 2010 году увеличение Кстр по сравнению с контролем наблюдается в слое 10-30 см при 6%-ом загрязнении и в слое 0-30 см при 12%-ой дозе нефти. Участок с 3%-ым загрязнением практически полностью восстанавливает свои структурные свойства до уровня незагрязненных почв. На участке с 18%-ым загрязнением сохраняется тенденция снижения коэффициента структурности до удовлетворительных значений.

В первый год исследований (2008 г.) содержание агрономически ценных агрегатов увеличивается по сравнению с контролем при 3, 6 и 12%-ой дозе нефти. Исключением является почвы с концентрацией нефти 18 %. Её высокое содержание способствует образованию глыбистых фракций и сопровождается ухудшением показателей структурного состояния почвы. Нефть способствует слипанию микроагрегатов (отдельности диаметром менее 0,25 мм) в агрономически ценные агрегаты (0,25-10,0 мм). Выявлено увеличение содержания агрономически ценных фракций 0,25-0,5 мм при 3%-ом загрязнении, 1-3 мм – при 3, 6 и 12 %-ом и фракций 3-7 мм – при 12 и 18%-ом загрязнении почвы нефтью, то есть с увеличением концентрации загрязнителя увеличивается относительное содержание более крупных структурных отдельностей.

Исследования 2010 года показали снижение доли глыбистых агрегатов при 6 и 12%-ом загрязнении в среднем до 20-35 % в слое 10-30 см. Содержание агрономически ценных «псевдоагрегатов» на участке с
3%-ой дозой нефти снижается по сравнению с 2008 годом и приближается к контрольному образцу, главным образом за счет трансформации части агрономически ценной «псевдоструктуры» в собственно микроагрегаты в результате частичного разложения нефти. При 18%-ом загрязнении, так же как и в 2008 году, сохраняется высокое содержание глыбистых отдельностей и незначительная доля агрономически ценных агрегатов.

Влияние нефтяного загрязнения проявляется в гидрофобизации почвенных частиц, что определяет их чрезвычайно высокую водопрочность. В первый год исследований содержание водопрочных агрегатов размером > 0,25 мм составляет от 45,2 до 50,3%, что определяет ее устойчивое сложение и хорошую водопрочность структуры. В составе водопрочных агрегатов нефтезагрязненной почвы преобладают мелко-комковатые структурные единицы размером 0,5-2,0 мм. На заключительном этапе эксперимента (2010 г.) содержание водопрочных агрегатов по всему почвенному профилю продолжало оставаться повышенным (в сравнении с контрольным участком) при 12 и 18%-ом загрязнении.

Водопрочность почвенных агрегатов положительно коррелирует
(r = 0,74, p = 0,002 в 2008 г и r = 0,56, p = 0,012 в 2010 г.) с плотностью почв, являющейся одним из основных ее агрофизических показателей от которой во многом зависит развитие корневой системы растений. Плотность почвы контрольного участка в пределах корнеобитаемого горизонта составляет от 1,11 г/см3 в слое 0-10 см до 1,14 г/см3 в слое
20-30 см. Плотность черноземов южных возрастает под влиянием нефтяного загрязнения в первый год эксперимента, достигая границы переуплотнения в слое 10-30 см при 6, 12 и 18%-ом загрязнении. Столь высокое уплотнение (от 1,65 до 1,85 г/см3) почвы ведет к созданию в корнеобитаемом слое условий, близких к анаэробным, изменению структуры почвенных горизонтов. При таких обстоятельствах в значительной мере затрудняет рост корней травянистых растений, в первую очередь с мочковатой коневой системой, и нарушает процесс естественного возобновления растительности. В 2010 году переуплотнение почв выявлено лишь при 18%-ом их загрязнении.

С плотностью почв напрямую связана ее водопроницаемость, снижение которой напрямую зависит от концентрации нефти. Она снизилась с 175 мм/час на контроле до 155 мм/час при 3% загрязнении и, продолжая уменьшаться, достигла 29 мм/час при 18% дозе нефти.

Данные корреляционного анализа показали тесную связь геоботанических показателей нефтезагрязненных участков с физическими свойствами этих почв (табл. 4).

Таблица 4 – Корреляционная зависимость геоботанических
показателей от физических свойств нефтезагрязненных почв

Геоботанические показатели Физические свойства почв Остаточное
содержание нефти в почве
Плотность почв Водопроницаемость почв
2008 год
Общее проективное покрытие r = 0,76, p = 0,001 r = 0,79, p = 0,003 r = -0,72, p = 0,005
Средняя высота травостоя r = 0,82, p = 0,013 r = 0,78, p = 0,007 r = -0,75, p = 0,003
Общие запасы фитомассы r = 0,84, p = 0,004 r = 0,83, p = 0,011 r = -0,81, p = 0,007
2010 год
Общее проективное покрытие r = 0,71, p = 0,004
Средняя высота травостоя r = 0,75, p = 0,006
Общие запасы фитомассы r = 0,73, p = 0,004 r = 0,80, p = 0,004 r = -0,74, p = 0,008

Таким образом, физические свойства чернозема южного изменяются сразу после загрязнения нефтью. При свежем нефтяном загрязнении увеличивается содержание агрономически ценных «псевдоагрегатов» за счет трансформации микроагрегатов в результате склеивающей способности нефти в агрономически ценную структуру почв. В этой связи возрастает коэффициент структурности почвы, снижение которого происходит лишь при 18%-ом загрязнении за счет роста доли глыбистой фракции почвы. Так же с возрастанием концентрации нефти наблюдается тенденция увеличения водопрочности почвенных агрегатов и уплотнение почв в среднем на 45-60%. Одновременно происходит снижение водопроницаемости почв с отличной и хорошей до неудовлетворительной. Перечисленные обстоятельства в своей совокупности отрицательно сказываются на условиях произрастания степной растительности.

4.2 Биологическая активность чернозема в условиях углеводородного загрязнения

В процессе своей жизнедеятельности растения входят в сложные взаимоотношения с микроорганизмами, населяющими почву. Изучение микробиологических свойств исследуемого подтипа чернозема показало, что происходит смена микробиологического состава как в зависимости от концентрации нефти, так и вниз по почвенному профилю.

На начальных этапах загрязнения (2008 год) наблюдается увеличение численности гетеротрофных организмов в слое 0-10 см с
12,6 млн/г на контрольном участке до 19,3 млн/г на участке почвы с концентрацией нефти 3%. При 6%-ом загрязнении за счет поступления дополнительного источника углерода и не выраженного токсического эффекта выявлено увеличение численности углеводородокисляющих микроорганизмов в слое 10-20 см. На участках с более высокой концентрацией загрязнителя наблюдается снижение численности основных групп микроорганизмов. Результаты исследований показали, что положительная ответная реакция почвы на увеличение нефтепродуктов происходит до определенной, критической дозы. Появление отрицательных эффектов свидетельствует о предельно допустимом содержании нефтепродуктов в почве применительно к ее биологическим свойствам.

На завершающей стадии эксперимента наблюдается стабилизация численности микроорганизмов исследуемых функциональных групп при 3%-ом загрязнении до уровня контроля. Продолжающийся рост численности углеводородокисляющих микроорганизмов при более высоких концентрациях загрязнения свидетельствует о продолжении процессов детоксикации нефти в почве.

Следовательно, нефтяное загрязнение неоднозначно влияет на различные функциональные группы микроорганизмов. В ответ на антропогенное воздействие наблюдается рост численности углеводородокисляющих микроорганизмов, специализирующихся на разложении углеводородов нефти.

С численностью микроорганизмов и их составом тесно коррелирует ферментативная активность почв, поскольку ферменты являются продуктом жизнедеятельности почвенной микрофлоры.

Исследование каталазной активности нефтезагрязненной почвы показало, что на протяжении всего периода инкубации низкие дозы нефти активизируют активность данного фермента. На начальных этапах загрязнения (2008 год) наблюдается увеличение каталазной активности при 6%-ом загрязнении в слое 10-20 см, что можно объяснить большей численностью микроорганизмов, обитающих в ризосфере корневых систем растений, повышенным содержанием гумуса и большей влажностью по сравнению с верхними горизонтами. При более значимых уровнях загрязнителя активность фермента снижается.

В 2009 году пороговая концентрация нефти сдвигается с 12% до 18%. Максимальные значения ферментативной активности наблюдаются в слое почвы 10-20 см, так же возрастает каталазная активность в слое почвы 20-30 см по сравнению с прошлым годом. Такая тенденция свидетельствует о перемещении нефти вниз по почвенному профилю и снижению ее токсического действия за счет частичного разложения микроорганизмами. В подтверждении сказанному выявлена тесная корреляционная связь между активностью каталазы и численностью углеводородокисляющих микроорганизмов (r = 0,83, при p = 0,036).

На последнем этапе опыта в 2010 году отмечено относительное снижение каталазной активности по сравнению со всем предыдущем периодом исследований, что может быть связано с погодными условиями. На участке, загрязненном 3-х %-ой дозой нефти, не наблюдается достоверных изменений каталазной активности в отличие от контроля (t=0,16-1,29 при n=6). На остальных экспериментальных участках отмечается увеличение активности фермента (кроме слоя 10-30 см при 18%-ом загрязнении), что свидетельствует о продолжении процессов детоксикации нефти.

Полученные данные подтверждаются результатами определения интенсивности выделения СО2 почвой или «дыхания» почвы, где были выявлены сходные закономерности.

4.3 Гумусное состояние чернозема южного в условиях нефтяного загрязнения

Органическая природа нефти определяет специфику гумусного состояния загрязненных почв. Результаты исследований гумусного состояния нефтезагрязненного чернозема показали, что общее содержание гумуса возрастает в 1,5-3,0 раза с увеличением концентрации нефти. Такое увеличение связано с тем, что основным элементом, входящим в состав нефти, является углерод, за счет которого содержание органического вещества в загрязненных почвах возрастает. По результатам первого года исследований обнаруживается прямая зависимость между концентрацией нефти и содержанием органического углерода. Отмечено снижение количества органического углерода вниз по почвенному профилю, как в контрольном образце, так и в образцах загрязненных нефтью. Это объясняется ухудшением условий гумусообразования (биологическая активность, физические свойства почв) вниз по почвенному профилю и затрудненной фильтрацией нефти в связи с ее высокой вязкостью.

В 2010 году наблюдается несколько иная картина, связанная с перераспределением нефти по слоям почвы за счет ее вымывания почвенным раствором после осеннего и весеннего периодов вниз по профилю, что проявляется в увеличении содержания органического углерода в слое почвы 20-30 см и снижение его уровня в самом верхнем слое почвы (0-10 см.). Эта тенденция подтверждается полученными данными по остаточному содержанию нефти в горизонтах почвенного профиля.

Не менее важным показателем является изменение соотношения групп и фракций гумусовых веществ в ответ на антропогенное воздействие. Контрольный участок чернозема южного характеризуется гуматным типом гумуса. При загрязнении почвы нефтью в первый год исследований наблюдается уменьшение подвижной фракции гуминовых кислот ГК1 в среднем на 45% и возрастание доли фракций гуминовых кислот, связанных с Са – ГК2, отвечающей за структурообразование, в среднем на 13%. Исключением является участок с 18%-ым загрязнением нефтью, где доля фракций ГК2 ниже, чем на контрольном участке. Возрастание доли фракции фульвокислот происходит преимущественно за счет фракций свободных и связанных с подвижными полуторными оксидами (ФК1а и ФК1). Высокие дозы нефти (18%) способствуют увеличению негидролизуемого остатка. Повышение содержания некоторых фракций гуминовых веществ, по мнению ряда исследователей (Новоселова, 2007; Solnseva, 1995), свидетельствует о включении легких фракций нефти в состав гумусовых молекул.

В 2010 году выявлена несколько другая ситуация. Сумма фракций гуминовых кислот снижается с возрастанием концентрации загрязнителя, что происходит преимущественно за счет уменьшения доли фракций ГК1 и ГК2. Наблюдается тенденция увеличения негидролизуемого остатка по мере возрастания концентрации нефти. На нефтезагрязненных участках соотношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот, т.е. Сгк/Сфк, снижается по сравнению с контрольным участком и в слое 10-30 см при 12 и 18%-ом загрязнении достигает 0,9-0,8, что соответствует гуматно-фульватному типу гумуса. Следовательно, по этому важному генетическому показателю почвы перестали соответствовать черноземному типу почвообразования. Причиной трансформации типа гумуса в нефтезагрязненной почве является изменение содержания его основных фракций. Отмечается увеличение доли фракций фульвокислот по отношению к сумме фракций гуминовых кислот. Она возрастает с увеличением концентрации нефти в среднем на 15 – 30 %, что, возможно, связано с изменением физико-химических свойств нефти в течение года за счет протекающих в почве биохимических процессов. В результате компоненты нефти, образовавшиеся в процессе биологического окисления, могут включаться в состав фракций ФК. Если рассматривать фульвокислоты как предшественники гуминовых кислот или продукты их распада, то есть основание предполагать, что увеличение доли фракций ФК связано с разложением гуминовых кислот за счет активизации биохимических процессов, направленных на детоксикацию нефти, состав которой в определенной степени аналогичен составу гумусовых веществ.

Таким образом, нефть действует на различные фракции гумусовых веществ неоднозначно. Увеличение содержания общего углерода и увеличение доли некоторых фракций гуминовых кислот с возрастанием концентрации нефти в первый год исследований не является основанием для утверждения об улучшении гумусного состояния почв и связанного с ним плодородия, поскольку такая тенденция вызвана искусственным внесением в почвы углерода нефти, а не с естественными процессами гумификации. На третий год исследований наблюдается увеличение доли фульвокислот при высоких дозах загрязнителя и трансформация типа гумуса, что можно расценить как свидетельство о протекающих в почве процессах детоксикации (минерализации) нефти. При 3%-ом загрязнении показатели гумусного состояния почв приближаются к контрольным.

ВЫВОДЫ

1. В условиях степной зоны Предуралья нефтяное загрязнение черноземов южных проявляется в снижении общего проективного покрытия фитоценоза, в уменьшении доли видов семейств мятликовых, розоцветных и астровых. Наиболее устойчивыми растительными формами являются представители семейства Fabaceae.

2. По результатам лабораторных исследований фитотоксического эффекта нефтезагрязненного чернозема южного, наиболее информативной тест-культурой является Lepidium sativum L.

3. Выявлено, что высокие концентрации нефти (12 и 18%) отрицательно влияют на физические свойства черноземов южных, их микробиологическую и ферментативную активности, способствуют снижению качества гумуса почв. Все изменения в экологии почв, связанные с нефтезагрязнением, проявляются в экологическом состоянии фитоценозов (уменьшение общего проективного покрытия, сокращение числа видов, снижение продуктивности и запасов фитомассы).

4. Установлено, что 3 – 6% концентрации нефти способствуют образованию агрономически ценных «псевдоагрегатов». Повышение ферментативной и микробиологической активности черноземов южных при данных концентрациях загрязнителя свидетельствует о запуске механизмов детоксикации нефти.

5. Показано, что восстановление естественной растительности и основных свойств черноземов южных происходит при 3 % загрязнении и, частично, при 6% дозе нефти в течение трех лет.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Корнева, О.Ю. Проблемы экологического сопровождения инвестиционных проектов / В.Г. Исмалкин, Л.Ф. Добрынина, Н.Я. Капралова, О.Ю. Корнева // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2004. – № 9. – С. 14-16.

2. Корнева, О.Ю. Опыт оценки воздействия на окружающую среду предприятий нефтегазовой отрасли: материалы конференции «Охрана окружающей среды на объектах нефтегазового комплекса» / О.Ю. Корнева. – Туапсе, 2006. – С. 49-50.

3. Корнева, О.Ю. Современные аспекты оценки воздействия выбросов предприятий на воздушный бассейн при экологическом сопровождении инвестиционных проектов на примере проекта «Обустройство Восточного участка ОНГКМ ЗАО «Стимул» на объем добычи нефти
1,5 млн. тонн в год» / О.Ю. Корнева, Л.Б. Борисова // Промышленная безопасность. – 2006. – № 9. – С. 26-27.

4. Корнева, О.Ю. Мероприятия по экологической безопасности в проектах обустройства нефтегазовых месторождений / Л.Ф. Добрынина, О.Ю. Корнева, О.Н. Подковырова, В.С. Полищук // Нефтепромысловое дело. – 2007. – № 12. – С. 74-76.

5. Корнева, О.Ю. Мероприятия по предупреждению чрезвычайных экологических ситуаций при разработке проектной документации: материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование». Ч.2: Рациональное природопользование / В.С. Полищук, О.Ю. Корнева. – Оренбург-Пермь, 2008. – С. 332-335.

6. Корнева, О.Ю. Охрана поверхностных вод в проектах обустройства и реконструкции нефтегазовых месторождений / Л.Ф. Добрынина, О.Ю. Корнева, О.Н. Подковырова // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2008. – № 9. – С. 70-72.

7. Ермакова, О.Ю. Разработка мероприятий по снижению возможного негативного воздействия на окружающую среду процесса открытого блочного хранения серы в проектах на строительство / О.Ю.Ермакова, В.С. Полищук // Нефтепромысловое дело. – 2009. –
№ 12. – С. 53-55.

8. Ермакова, О.Ю. Эколого-геохимические особенности почвенного покрова парков г. Оренбурга: Материалы V11 Всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК» / Л.В. Анилова, О.В. Примак, О.Ю. Ермакова. – Астрахань, 2011. – С. 109-111.

9. Ермакова, О.Ю. Оценка фитотоксичности чернозема южного Оренбургской области в условиях разных доз нефтяного загрязнения / Т.С. Шорина, И.А. Мисетов, И.А. Новоженин, О.Ю. Ермакова // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2011. – № 12. – С. 399-403.

10. Ермакова, О.Ю. Оценка влияния различных доз нефти на динамику естественной растительности чернозема южного Оренбургского Предуралья / Т.С. Шорина, Ермакова // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2011. – № 12. – С. 261-264.

Ермакова Ольга Юрьевна

Влияние нефтяного загрязнения

на растительный покров и свойства почв

(на примере степной зоны Предуралья)

Специальность: 03.02.01 – Ботаника, 03.02.08 – Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Подписано в печать 25.11.2011 г.

Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 73

Типография ГБУ РЦРО

460000, г. Оренбург, ул. Краснознаменная, д. 5



 



<
 
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.