Павлодарский государственный университет им. С.Торайгырова
УДК 581.5.581.526.53(574):528. На правах рукописи
ЛЕОНОВА ЮЛИЯ МИХАЙЛОВНА
Антропогенная трансформация растительности в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара
03.00.05 - Ботаника
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Научный руководитель
д.б.н., проф. Огарь Н.П.
Республика Казахстан
Алматы, 2010
СОДЕРЖАНИЕ
| Определения | 3 | |
| Введение | 4 | |
| 1 | Обзор литературы | 7 |
| 2 | Объекты и методы исследований | 11 |
| 2.1 | Объекты исследований | 11 |
| 2.2 | Методы исследований | 11 |
| 3 | Природные условия района исследований | 15 |
| 4 | Факторы антропогенной трансформации и их влияние на растительность | 19 |
| 4.1 | Воздействие на почвы и растительность физических факторов | 20 |
| 4.2 | Воздействие на почвы и растительность химических факторов | 24 |
| 5 | Трансформация флоры района исследований | 32 |
| 6 | Трансформация растительности района исследований | 39 |
| 6.1 | Состояние растительности и загрязнение тяжелыми металлами почв и растений на участках исследований | 39 |
| 6.2 | Обсуждение результатов исследований по комплексному влиянию антропогенных факторов | 109 |
| 7 | Рекомендации по сохранению биоразнообразия, охране и восстановлению растительности | 128 |
| Заключение | 130 | |
| Список использованных источников | 132 | |
| Приложение А - Список флоры территории, находящейся в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара | 144 | |
Определения
В настоящей диссертации применяют следующие термины с соответствующими определениями:
Демутация – смены растительности, происходящие после ее нарушения и идущие в направлении восстановления сообществ прежнего состава [1].
Деградация растительности – процесс ухудшения состояния растительности, сопровождающийся упрощением структуры, потерей биоразнообразия, утратой фитоценотической роли доминирующих видов и, заменой их сорными, потерей функциональной и ресурсной значимости, уменьшением продуктивности как отдельных сообществ, так и территориальных единиц растительности разного ранга [2, 3, 4]. Характеризует необратимый процесс или процесс с длительным периодом восстановления. Деградация растительности обычно связана с деградацией почв и экосистем и характеризуется конвергенцией растительности на ландшафтном уровне, (выражается в сходстве признаков пространственной и фитоценотической структуры, биоразнообразия и физиономичности сообществ) [5].
Деструкция – термин, характеризующий полное уничтожение растительности или других компонентов экосистем, нарушение структуры, функционирования и стабильности растительных сообществ под действием катастрофических, например, техногенных факторов [2, с.12; 5, с.30].
Дигрессия – временное ухудшение состояния растительности (структуры, состава, продуктивности) из-за внешних или внутренних причин [1, с.68;5,с.30].
Растительность, растительный покров – совокупность фитоценозов или растительных сообществ той или иной части земной поверхности или конкретной территории [1, с.150].
Трансформация растительности - изменение растительности в результате воздействия на нее природных и антропогенных факторов, а также стимулированных ими процессов [2, с.12; 5, с.29]. Трансформация может быть как негативной (ухудшение), так и позитивной (улучшение). Антропогенная трансформация растительности (антропогенная нарушенность) выражается в нарушении естественной природной структуры и флористического состава сообществ, приводящих к утрате функциональной и ресурсной значимости. Термин употребляется лишь применительно к спонтанной (естественной) растительности, как показатель стадий ее негативной трансформации [5, с. 29].
Трансформация флоры – изменение флористического состава фитоценозов и растительности территории в целом под воздействием антропогенных факторов, выражающееся в увеличении фитоценотической роли сорных и дигрессионно-активных видов растений [2, с.13].
Тяжелые металлы (ТМ) – свыше сорока элементов химической таблицы Менделеева Д.И. с атомным весом, превышающим 50 атомных единиц. Для ТМ характерны: высокая токсичность, мутагенный и канцерогенный эффекты, способность к биоаккумуляции [6].
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Растительный покров является основным автотрофным блоком природных экосистем. В результате хозяйственной деятельности человека происходит трансформация растительности, которая сопровождается нарушением структуры, уменьшением флористического и фитоценотического разнообразия, а также продуктивности сообществ. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению плодородия почв, ресурсной ценности кормовых угодий, а также стимулирует такие негативные процессы, как опустынивание, пыльные бури и т.п.
Растительный покров различных природных зон неоднозначно реагирует на однотипные антропогенные нагрузки и проявляет различную устойчивость к ним. Влияние антропогенных факторов на растительность в различных регионах Казахстана неодинаково и зависит от приоритетов хозяйственного освоения территории. К настоящему времени в Казахстане хорошо изучены антропогенные смены растительности в результате механического воздействия (выпас скота, дорожная дигрессия и т.п.) [2,3,4,8-13]. Реакция же отдельных видов растений на загрязнение промышленными выбросами и трансформация растительности в результате их влияния пока мало исследованы. Это обусловлено как специфичностью набора загрязняющих веществ разных промышленных предприятий, кумулятивным эффектом их воздействия в зоне влияния крупных индустриальных центров, так и разной депонирующей способностью растительности в зависимости от природно-климатических условий территории.
В Павлодарской области функционируют крупнейшие в Республике предприятия теплоэнергетики, металлургической и химической промышленности, которые выбрасывают в атмосферу большое количество загрязняющих веществ, которые оказывают значительное влияние на растительный покров территории, окружающей г. Павлодар [14-25]. Это основном пыль разной степени дисперсности с содержащимися в ней тяжелыми металлами (ТМ) и газовая составляющая. Кроме того, в густонаселенных окрестностях г. Павлодара химическое воздействие на растительность загрязняющих веществ накладывается на комплекс механических/физических факторов (распашка земель, выпас, сенокошение, транспортный сбой и т.п.), что ведет к формированию однотипных длительнопроизводных вторичных сообществ сорных растений, не имеющих ресурсной ценности.
Для сохранения биоразнообразия и восстановления естественного растительного покрова необходимы знания об особенностях сукцессий растительности, реакции отдельных видов флоры на воздействие химических элементов и различных их соединений.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в исследовании антропогенной трансформации растительности в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара.
В процессе исследования решались следующие задачи:
- выявить основные антропогенные факторы, оказывающие влияние на растительный покров в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара в радиусе 50 км;
- определить современный состав и особенности трансформации флоры, эколого-биологические особенности и индикационную роль отдельных видов в диагностике факторов антропогенной трансформации;
- оценить современное состояние, особенности состава и пространственной структуры растительного покрова;
- установить сукцессионные ряды трансформации растительности в результате полифакторного – химического и механического – воздействия;
- проанализировать содержание и особенности аккумуляции тяжелых металлов (Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Zn, Cu, Pb, Sr) в почвах, а также в надземных и подземных органах доминирующих видов растений;
- разработать рекомендации по восстановлению растительности территории, сохранению флористического и фитоценотического разнообразия.
Положения, выносимые на защиту:
- Флористический состав, в частности, доля участия синантропных и рудеральных видов, является индикатором степени трансформации растительных сообществ.
- Длительное воздействие антропогенных факторов приводит к трансформации растительности, которая выражается в ее ксерофитизации, упрощении флористического состава и структуры сообществ, их пространственной конвергенции и утрате ресурсной ценности.
- Подверженные воздействию механических факторов (выпаса, дорожной дигрессии и т.п.) растения интенсивнее поражаются веществами, содержащимися в выбросах промышленных предприятий.
Научная новизна работы. Впервые проведено детальное исследование современного состояния флоры и растительности в зоне влияния промышленных предприятий г. Павлодара. Установлен состав и сформирован список флоры района исследований, включающий 250 видов высших растений из 41 семейства и 142 родов, выявлена доля участия синантропных и рудеральных растений. Изучена роль химического загрязнения тяжелыми металлами в трансформации флоры и растительности, установлены сукцессионные ряды антропогенных смен растительных сообществ в различных экологических условиях. Показана индикационная роль отдельных видов растений в диагностике стадий трансформации растительности.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в оценке особенностей состава и структуры растительности, находящейся под длительным воздействием комплекса антропогенных факторов, в том числе, выбросов промышленных предприятий, а также изучении потенциала естественного восстановления флористического и фитоценотического разнообразия в условиях интенсивного антропогенного воздействия.
Практическим результатом работы является инвентаризация флоры, изучение степени антропогенной трансформации растительности, разработка рекомендаций по сохранению биоразнообразия, охране и восстановлению растительного покрова.
Результаты исследований применяются в учебном процессе на кафедре биологии и экологии факультета химических технологий и естествознания ПГУ им. С. Торайгырова, а также могут быть использованы при разработке критериев оценки состояния растительности на антропогенно-нарушенных территориях, находящихся под воздействием промышленных предприятий.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на: Международной конференции, посвященной памяти выдающихся ботаников Казахстана «Исследования растительного мира Казахстана», Алматы, 2006г.; на Международной научной конференции «Биоразнообразие степных сообществ», Костанай, 2006; на Международной научной конференции «Биологическое разнообразие азиатских степей», Костанай, 2007г.; на Международной научной конференции молодых ученых, студентов и школьников «VII Сатпаевские чтения», Павлодар, 2007 год; на Международной научной конференции «Растительный мир и его охрана», посвященной 75-летию ИБФ, г. Алматы; на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования в Казахстане и сопредельных территориях», Павлодар, 2007 год; на Международной научной конференции «Биология: теория, практика, эксперимент», Саранск, 2007; на Международной научной конференции студентов, магистрантов и молодых ученых «Ломоносов - 2008», Астана, 2008 год.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Личное участие автора. Результаты исследований по теме диссертации получены в ходе полевых работ (2005-2009 гг.), собраны и обработаны лично автором. Сделано более 150 геоботанических описаний. Работа выполнялась в рамках программы очной аспирантуры ПГУ им. Торайгырова.
1 Обзор литературы
Трансформация растительного покрова в результате хозяйственной деятельности человека характерна для многих регионов и стран, но серьезно изучать эту проблему ученые начали с 80-х годов прошлого столетия [8,11].
Первый опыт специальных исследований по проблеме трансформации растительности и экосистем в результате воздействия различных факторов (земледелие, выпас скота, освоение месторождений полезных ископаемых, дорожная дигрессия и т.п.) был получен благодаря работам советско-монгольской комплексной биологической экспедиции (1985-1990 г.г.), где приняли участие казахстанские геоботаники - Е.И. Рачковская и Н.П. Огарь. По результатам работ экспедиции опубликованы методы оценки антропогенной трансформации экосистем в целом и растительности в частности, для разных природных зон (степей, пустынь) и высотных поясов гор [26]. В них также дана комплексная оценка воздействия на степную растительность промышленных выбросов г. Улан-Батора [27]. Эти работы послужили отправной точкой развития методов оценки и картографирования антропогенной трансформации растительности в Казахстане и других странах, а сама проблема стала рассматриваться в области фундаментальных исследований.
В конце 80-х - начале 90-х годов в Казахстане также появились работы, касающиеся трансформации пастбищной растительности [12]. Г.К. Бижановой были разработаны методы изучения и картографирования антропогенных смен растительности песчаных пустынь, предложена шкала по оценке степени антропогенной нарушенности растительности [13]. Также появились работы, где рассматривается уже не только пастбищная дигрессия, но и влияние других факторов, в частности, загрязнения радиоактивными отходами на СИЯП, где исследования проводили Р.П. Плисак [28], Б.М. Султанова [28-30]. Это единственные на тот период исследования в степной зоне. В них рассмотрено влияние радионуклидов на растительный покров. Для оценки степени антропогенной трансформации степной растительности под воздействием фактора радиационного загрязнения разработаны критерии нарушенности, учитывающие различные показатели (фитоценотические, радиоэкологические и ландшафтно-геохимические). Впоследствии эти работы продолжены Сапроновой Е.А. [31] на территории опытного экспериментального полигона «Балапан» бывшего СИЯП и показано, что уровень радиации не оказывает существенного влияния на пространственное распределение и ценотический состав растительности, которые обусловлены элементами рельефа, характером увлажнения и эдафическими условиями. Айдосовой С.С. [32,33] изучены анатомические изменения растений, возникшие под воздействием радиоактивного излучения. Также содержание радионуклидов в почвенно-растительном покрове нижнего течения р. Или изучал Отаров А. [34].
В 1995-1998 г.г. в лаборатории геоботаники Института ботаники и фитоинтродукции под руководством Н.П. Огарь разрабатывалась тема фундаментальных исследований «Трансформация растительности Казахстана в условиях современного природопользования» [2,3,4]. В рамках этой темы, впервые для Казахстана, разработаны общие критерии оценки трансформации растительности степей, пустынь, гор и долин рек под влиянием различных факторов воздействия, в том числе загрязнения промышленными выбросами, нефтью, радиоактивными отходами и т.п. Главным выводом этого исследования явлется необходимость дальнейшей разработки региональных критериев оценки степени антропогенной трансформации растительности с учетом различных факторов воздействия, специфики природно-климатических условий и показателей устойчивости видов растений и сообществ к ним.
В связи с необходимостью региогнального изучения антропогенной трансформации растительности была инициирована серия новых работ, но, к сожалению, в степной зоне исследований проводилось мало, а тема загрязнения промышленными выбросами практически не затрагивалась.
В степях Костанайской области детально изучала трансформацию растительности О.В. Марынич [35]. Ею описаны смены под влиянием выпаса и дорожной дигрессии в геми- и петрофитных вариантах сухих степей и геми-, псаммо- и петрофитных вариантах опустыненных степей, а также - ряды пасквальных смен для четырех стадий дигрессии. Также были проведены региональные исследования трансформации степной растительности под влиянием в основном сельскохозяйственного (распашка, выпас) и промышленного освоения [36-40]. Вопросы промышленного загрязнения в них практически не рассматриваются, за исключением некоторых работ Ахметовой А.Б. [41-42] по воздействию ракетного топлива на растительность, а также Панина М.С. и его учеников [6,43-46], касающиеся эколого-биохимической оценки естественных и техногенных ландшафтов Семипалатинского Прииртышья.
Начиная с середины 90-х годов, в Республике, в результате совершенствования экологического законодательства, стали проводиться работы по оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) различных видов планируемой хозяйственной деятельности. Объем таких работ ежегодно увеличивается, но результаты этих исследований редко освещаются в публикациях, особенно по вопросам трансформации растительности. Большая часть таких работ связана с освоением месторождений нефти и газа в Западном Казахстане. Интересны в этом направлении исследования Н. П. Огарь и Л.Л. Стоговой [47] о влиянии на растительность нефтяного загрязнения и выбросов в атмосферу сопутствующих предприятий на побережье Каспийского моря. Авторы показывают сложность определения реакции растений на загрязнение и говорят о необходимости комплексного ботанического подхода, включая изучение анатомической структуры, морфологических и экологических особенностей конкретных видов растений.
Оценка воздействия промышленных выбросов действующих предприятий проводится только в случае их реконструкции или модернизации. При этом, как правило, рассматривается влияние одного конкретного объекта и не учитывается кумулятивный эффект воздействия комплекса промышленных предприятий больших городов, в том числе и г. Павлодара, одного из крупнейших промышленных центров Республики. В регионе существует ряд экологических проблем, для решения которых необходимы специальные исследования. На территории области оценка влияния промышленных предприятий на окружающую среду, несмотря на экологическую ситуацию, проводится в ограниченном объеме - для составления обоснований, отчетов, при проведении экологического аудита, ОВОС или других, предусмотренных экологическим законодательством, документов. Воздействие на растительность некоторых промышленных предприятий г. Павлодара исследовалось в 90-х годах [14-16], некоторая информация о влиянии промышленности на растительный покров встречается и позже [20,23,48].
По Павлодарской области имеются работы, в которых дана оценка источников промышленных выбросов и основных загрязнителей. В исследованиях Салтыбаева А.Д. [17] рассмотрены основные источники загрязнения атмосферного воздуха г. Павлодара, условия рассеяния и осаждения загрязнителей, среды, воспринимающие их (почва, снежный покров, грунтовые воды, садово-огородная продукция). Дана характеристика элементов, входящих в состав выбросов, сбросов и отходов предприятий, и распределение этих элементов в почвах исследуемого региона. Хлыстуном Н.М. [18] проведено районирование территории Павлодар-Экибастузского ТПК в зависимости от комплексного загрязнения природных сред (атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, снежный покров и поверхностный слой почвы). Установлены территориальные особенности загрязнения по степени и химическому составу. Выявлены наиболее насыщенные металлами участки территории, установлены источники их загрязнения. Авторами указано, что области загрязнения воздуха и почвенного покрова не совпадают при наложении.
В публикациях Гельдымамедовой Э.А. и Ажаева Г.С. (исследования осуществлялись под руководством Панина М.С.) [49-55] рассматривается содержание тяжелых металлов в почвах г. Павлодара и пригорода, и в связи с этим – содержание их в огородной растительности [56].
Целью исследований Шаймардановой Б.Х. является экологическая оценка качества среды урбанизированных территорий (на примере г. Павлодара). В работах [57,58] исследуется состояние древесных насаждений города и промышленных зон и возможность использования их в качестве биоиндикаторов.
Ермиенко А.В. и др. [59,60] рассматривала состояние растительного покрова территории строительства Электролизного завода, испытывающего сильное антропогенное влияние и в значительной мере трансформированного. Основными факторами деградации растительности названы сельскохозяйственное освоение территории, комплексное техногенное влияние (дорожная дигрессия, химическое загрязнение). Алпатова О.А. [25] изучала процессы накопления аэрозольных частиц на травяном покрове и в почве территории дачного массива г. Аксу (по направлению Аксу – Павлодар). Тантоном Т.В. и др. [61] проводились исследования состояния почвы, пастбищной травы, молока коров и др. на территории ПО «Химпром» в связи с разливом ртути, использовавшейся в производственном процессе. В работе Иващенко А.А., Огарь Н.П., Топканбаевой А. [62] упоминается о полной трансформации растительного покрова на территории животноводческого комплекса, расположенного в пригороде г. Павлодара, в результате хозяйственной деятельности.
Вопросам оценки флористического разнообразия и ресурсной значимости растительности Павлодарского Прииртышья посвящены работы Прозоровой Т.А. [63] с соавторами [64]. Каденова А.Б. [65] с соавторами изучали особенности растительного покрова на месте сосновых гарей в Баянаульском государственном национальном природном парке; фитопатологическую ситуацию в г. Павлодаре, в лесных массивах Павлодарской области [66,67]; состав, структуру, ритмы развития и прочие характеристики различных сообществ поймы и в окрестностях города; сорные растения полей Павлодарского района [68]. Альмишев У.Х. исследовал флористический состав поймы р. Ертыс в условиях Павлодарской области [69]. Анализом флоры Иртышского флористического округа Восточно-Казахстанской степной провинции занимается Жумадилов Б.З. [70,71].
Камкин В.А. [72,73] рассматривает факторы антропогенной трансформации растительности поймы р. Ертыс и их роль в изменении флористического и фитоценотического разнообразия. Флора обследованной территории, по данным автора, насчитывает 160 синантропных растений.
Анализ имеющихся публикаций показал, что трансформация растительности в Казахстане и других странах исследуется в разных аспектах, но при этом мало работ, где оценивается реакция отдельных растений и растительного покрова в целом на загрязнение промышленными выбросами в комплексе с другими факторами воздействия.
В связи с этим нами в период с 2005 по 2009 гг. проведены исследования антропогенной трансформации растительности в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара [74-84] с целью выявления роли различных факторов, в том числе загрязняющих веществ, в изменении структуры растительности и биоразнообразия. Результаты исследований изложены в данной работе.
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Объекты исследований
Исследования по оценке степени трансформации растительного покрова проводились с 2005 по 2009 г.г. в зоне влияния промышленных предприятий г. Павлодара в радиусе 50 км от границы города (Рисунок 1).
Объектами исследования являлись флора и растительный покров территории, а также доминирующие виды растений. Изучались состав и структура растительных сообществ, смены растительных сообществ под влиянием антропогенных факторов, в том числе выбросов промышленных предприятий, а также реакция отдельных видов на воздействие загрязнения окружающей среды в зависимости от экологических условий экотопов.
2.2 Методы исследований
Изучение пространственной структуры растительного покрова проводилось детально-маршрутным методом [85] с учетом разнообразия типов местообитаний, элементов рельефа и почвенных разностей. Состояние растительного покрова изучалось на участках (размер - 100м2 - общепринят при изучении травяной растительности), расположенных по векторам - север, юг, восток, запад (Рисунок 1). Всего обследовано 47 участков (находящихся на разных расстояниях от промышленных предприятий региона), в пределах которых проводилось детальное геоботаническое описание растительных сообществ и группировок (с использованием классических методов, принятых при проведении геоботанических исследований) [86]. Описание включало выявление флористического состава, эколого-биоморфологическую характеристику отдельных видов, характеристику вертикальной и горизонтальной структуры, обилия отдельных видов, проективного покрытия почвы растениями. При характеристике экобиоморф мы придерживались классификации Б.А. Быкова [2, с.208]. Экологические условия среды оценивали, используя общепринятые методы [86].
Для выявления видового состава растительного покрова рассматриваемой территории проводили сбор и определение гербария. Определение видов растений осуществлялось по «Флоре Казахстана»[87] и Иллюстрированному определителю [88], латинские названия видов выверяли по С.К. Черепанову [89]. Данные о местонахождении видов, жизненной форме, корневой системе, отношению к влажности приведены на основании данных различных источников [87,90-93] и собственных наблюдений. Описывали как условно фоновые (слабо нарушенные) сообщества, так и их аналоги, в разной степени трансформированные. Перед началом работ были установлены все имеющиеся на территории факторы трансформации растительности.
Рисунок 1 – Схема района исследований
Оценка степени антропогенной трансформации растительности по отношению к физическим факторам воздействия (выпас скота, дорожная дигрессия, рекреация и т.п.) осуществлялась по разработанной нами 5-бальной шкале:
0 – фоновое состояние – растительное сообщество имеет характерный для естественной растительности набор доминантных и сопутствующих видов, однородную горизонтальную структуру, хорошую жизненность растений;
1 – слабонарушенное – в фитоценозах сохраняется основной доминантный состав видов, в небольшом обилии присутствуют сорные растения (до 10%), жизненность растений удовлетворительная, структура сообщества характеризуется групповым сложением травостоя, имеется слабое локальное нарушение поверхности почвы до 10% площади.
2 – средненарушенное – доминантный состав сообществ сохраняется, увеличивается доля участия сорных растений (до 25%), горизонтальная структура мелкоконтурная, жизненность растений ослаблена, поверхностность почвы нарушена или оголена (более 25%), локально разрушен корковый горизонт; на песчаных почвах наблюдается проявления эоловых процессов;
3 – сильнонарушенное – произошла смена доминантов сорными растениями, участие коренных видов флоры - не более 20% с малым обилием, горизонтальная структура сообщества мозаичная, общий сбой поверхности почв составлет более 25% площади при значительном локальном нарушении коркового и подкоркового горизонтов;
4 – очень сильнонарушенные – сообщество разрушено, характерны разреженные группировки сорных растений, учатие коренных видов единично не более 10%, горизонтальная структура неоднородная, более 50% площади лишено растительности, имеются очаги эрозии и дефляции почв, наблюдается развитие процессов опустынивания и деградации. Выражена конвергенция растительности на ландшафтном уровне.
Антропогенная динамика растительности изучалась методом оценки состояния растительного покрова в одних и тех же сообществах в разные годы и одни и те же сроки (июнь-июль), и последующего сравнительного анализа полученных данных [94]. В процессе камеральной обработки строились ряды смен растительных сообществ, отражающие трансформацию растительности в различных экологических условиях под воздействием комплекса факторов.
На каждом участке рассматривалось влияние загрязнения на почвенно-растительный покров, для этого, помимо выявления при геоботаническом описании внешних признаков воздействия на растения, отбирались пробы почв и растений для химических анализов на содержание тяжелых металлов согласно методическим рекомендациям [95-96].
Пробы анализировались в лаборатории Физико-технического института МОиН РК (п. Алатау, Алматинская область). Определение содержания элементов – Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Zn, Cu, Pb, Sr – в почве и растениях осуществлялось методом рентгенофлюоресцентного анализа (для почвы – с отжигом, для растений – с предварительным озолением) на РФА - спектрометре «Спектроскан GF-1E» (Россия, 2000г/в).
Основным критерием гигиенической оценки опасности загрязнения почвы вредными веществами является ПДК поллютантов в ней. В наших исследованиях проводилось сопоставление зарегистрированных в почве концентраций Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Zn, Cu, Pb, Sr с существующими нормативам ПДК [97-99] (единых нормативов валового содержания рассматриваемых нами металлов в почве в Казахстане на данный момент нет, в основном имеется информация по их подвижным формам).
Вероятность загрязнения почвы повышается с увеличением значения Ко (чем более Ко >1), с повышением класса опасности контролируемых веществ, с уменьшением буферных свойств почвы.
Коэффициент опасности Ко определяли по формуле (1) [100]:
Ко = 
= 
(1)
Также нами рассчитан коэффициент биологического поглощения Ах, который определяли по формуле (2) [101]:
Ах = 
= 
(2)
Усредненное содержание ТМ в почве рассчитано для каждой пары почвенных проб (0-5см и 10-15см), приведенных в таблицах.
Для биогеохимического опробования и оценки загрязнения территории нами были отобраны такие виды растений, как полынь австрийская (Artemisia austriaca), пырей гребенчатый (Agropyron pectinatum) и лапчатка вильчатая (Potentilla bifurca), поскольку сообщества с их доминированием и участием имеют широкое распространение на территории исследований. Полынь австрийская и пырей гребенчатый приурочены к засушливым местообитаниям, поэтому их ксероморфная структура не способствует аэрогенной аккумуляции загрязняющих веществ. Оба вида достаточно устойчивы к воздействию выпаса. Пырей также является ценным кормовым растением. Лапчатка вильчатая является более влаголюбивой, ее мезоморфная структура способствует аккумуляции загрязняющих веществ, поступающих из воздуха. Полынь и лапчатка отбирались в пробу полностью, а пырей разделяли на подземные и наземные части.
Все эти виды являются дигрессионно-активными и быстро занимают свободные ниши на деградированных участках. В сообществах они часто выступают в роли доминантов или субдоминантов. Они также имеют различную глубину проникновения корневой системы, поэтому могут служить надежными индикаторами загрязнения.
В ходе полевых исследований 2005-2009г.г. выполнено более 150 геоботанических описаний, собрано и определено около 450 листов гербария, отобрано и проанализировано в лаборатории на содержание тяжелых металлов 170 проб почв и 60 - растений.
3 ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
Общие сведения. Павлодарская область расположена на крайнем северо-востоке Казахстана, простираясь более чем на 450 км с запада на восток (7322' - 80 в.д.) и свыше 500 км с юга на север в пределах Кулундинской и Прииртышской равнин, а также Барабинской низменности [102].
Географическое положение. Нашими исследованиями охвачена территория окрестностей г. Павлодара в радиусе 50 км, где также расположен город Аксу с промышленными объектами и многочисленные населенные пункты (Рисунок 1). Согласно Карте природного районирования Северного Казахстана [103], рассматриваемая территория относится к подзоне сухих степей. По данным К.М. Джаналиевой [104], она относится к Ишим-Кулундинской физико-географической провинции Западно-Сибирской равнины (левобережье – к Силети-Шурексорскому физ-географическому району, а правобережье – к Ажбулатскому). Гельдыева Г.В. и Веселова Л.К. [105] относят ее к Прииртышской равнине Западно-Сибирской низменности, как и Джанпеисов Р., который [106] разделяет ее на Прииртышскую правобережную супесчаную равнину (Западно-Кулундинский и Прииртышский правобережный равнинные природные районы), Прииртышскую левобережную террасовую равнину и пойму Иртыша.
Рельеф. Основные черты рельефа Павлодарской области были образованы в четвертичное время под воздействием эрозионно-денудационных аккумулятивных процессов, связанных с изменением климата, тектоническими движениями и оледенением Западной Сибири. Рельеф территории исследований представлен равнинами разного генезиса, включая надпойменные террасы р. Ертыс. [102, с.409]. Значительная часть правобережья р. Ертыс в пределах рассматриваемой территории относится к повышенной древнеаллювиальной Кулундинской равнине с абсолютными высотами 125-150м и выше над уровнем моря. Она характеризуется увалистым рельефом. По обе стороны р. Ертыс выражены алювиальные равнины на надпойменных террасах I-III уровня. Они преимущественно плоские, слабо расчлененные врезанными сухими протоками, руслообразными западинами, древнестаричными озерками и т. д. Непосредственно примыкающая к современной долине р. Ертыс первая терраса выражена по обоим берегам, ее превышение над руслом составляет 5-6 м. Вторая терраса, шириной в 9-12 км, характеризуется относительным превышением над урезом воды от 15 до 18 м, ее абсолютные высоты составляют около 105-115м. Третья терраса характеризуется относительными превышениями над р. Ертыс в 23-28м, и абсолютными высотами 125-145м. [102].
Современная долина р. Ертыс простирается непрерывной полосой (ширина от 3 до 30 км) с юго-востока на северо-запад через всю Павлодарскую область и участок наших исследований (Рисунок 2). От высоких надпойменных террас современная долина реки отделяется достаточно выраженным уступом, высота которого по правому берегу достигает 25-50м. В рельефе долины различаются: русло реки и ее протоков и затопляемая пойма шириной 12-15 км.
 |
| Рисунок 2 – Ландшафтная структура района исследований |
Геология. Наиболее широко распространенными почвообразующими породами являются древнеаллювиальные пески, супеси и легкие суглинки, ими занята почти вся Прииртышская равнина. На правобережной равнине они имеют мощность порядком 8-10м и более, а на левобережье, на небольшой глубине, уже с 1,5-2м, подстилаются песчано-галечниковыми отложениями. Глубже в обоих случаях залегают третичные глины, которые служат водоупором [106, С.15-19].
Первая надпойменная терраса сложена суглинками и глинами; вторая - преимущественно разнозернистыми песками с гравием и галькой мощностью в 5-10м, залегающими на цоколе из третичных глин. Характерно присутствие гравия и гальки уже на поверхности равнины [102, с.409-413]. Третья терраса характеризуется повышенным залеганием третичного цоколя глин палеогенового возраста и несколько меньшей, чем на II террасе, мощностью песчано-галечниковых отложений [102, с.420].
Древнеаалювиальная Кулундинская равнина сложена аллювиальными нижнечетвертичными отложениями мощностью в 10-15м, представленными преимущественно разнозернистыми песками, с гравием и иногда с мелкой галькой [102, с.413]. Залегают эти осадки на размытой поверхности плиоценовых отложений и почти всюду перекрыты покровными песками и лессовыми супесями мощностью от 1 до 8м.
Пойма р. Ертыс сложена в основном песками и супесями, для I террасы характерны суглинки и глины [102, с.409-420; 106, с.11,14].
Климат. Резкая континентальность климата Павлодарской области выражается в крайне большой амплитуде температур между зимними и летними месяцами и в том, что наибольшее количество осадков выпадает в теплое время года [102,с.382; 106,с.20]. Так, по данным метеостанции г. Павлодара, средняя температура января составляет -18,5°С, средняя температура июля +21,5°С. Абсолютный минимум температуры составляет -47°С, максимум +40°С. Зимний период длится около 200 дней, период активных температур свыше +10°С составляет 140 дней. Наибольшая облачность отмечается в холодное полугодие (вероятность пасмурного неба - 40-70%), летом вероятность ясных дней - до 70%. Осадков за год выпадает 260мм, из них в мае-июле - 104мм, испаряемость в этот период в несколько раз превышает количество осадков. Дефицит влажности изменяется от 0,1-1,5 (декабрь-февраль) до 10-13 (май-июль). Ветра в регионе практически постоянны; преобладают ветра южных (ЮЗ, Ю, ЮВ) и западных румбов. На штили приходится незначительная часть времени в течение года.
Гидрология и гидрография. Главная водная артерия Павлодарской области и района наших исследований - река Ертыс, протяженность ее в пределах области - 720 км. Ширина русла Ертыса вблизи г. Павлодара - от 429 до 800м, толща воды - 4,5-6,5м, в паводковый период ширина русла – 1200-1800м. Основной объем стока в пределах среднего течения реки поступает из водосбора Верхнего Иртыша (до 65%). Ертыс имеет смешанное питание, в верховье – ледниковое; замерзает река в середине ноября – начале декабря. Наибольшая толщина ледового покрова составляет 115 см, средняя продолжительность его стояния – 130-155 дней. Ледоход начинается в середине апреля и заканчивается в начале мая. Течение реки спокойное, средняя скорость при среднем уклоне 0,00060/00 составляет 1,2 м/с. Берега, особенно правый, подвергаются разрушению [102, с. 409; 106,с. 11-14].
Гидрогеология. Грунтовые воды района исследований относятся к Прииртышскому бассейну [106, с. 23]. Они сосредоточенные в осадочных породах различной водопроницаемости (глина, песок, галька). Как правило, они пресные и слабосоленые (от 1-3 г. соли на 1л), с глубиной залегания от 30см до 15м и характеризуются различной степенью минерализации, химическим составом и условиями залегания. По химическому составу преобладают сульфатно-гидрокарбонатные магниево-кальциевые, хлоридно-сульфатные натриево-магниевые и сульфатно-хлоридные натриево-магниевые пресные воды. Также встречаются соленые воды содовохлоридно-сульфатного химизма.
Почвы и почвенный покров. Согласно данным «Природного районирования Северного Казахстана» [102,с.409-420], территория исследований относится к степной зоне, подзоне сухих типчаково-ковыльных степей на темнокаштановых и каштановых почвах. Здесь выделяется 4 природных района [106, с.11-14]: прииртышский правобережный равнинный сухо-степной «легких» темнокаштановых и лугово-каштановых, местами луговых (остепненных) глубоковскипающих почв; грязновский равнинный лугово-степной, суглинистых и супесчаных луговато-каштановых почв и солонцово-лугово-каштановых комплексов; тарактинский равнинный сухо-степной, супесчаных и легкосуглинистых темнокаштановых почв (незначительная территория); иртышский долинный луговой, пойменных почв.
Почвенный покров неоднороден, часто почвы залегают в виде комплексов или сочетаний друг с другом, а местами создают пятнистость. Для описываемой территории характерны [102,106,107] большей частью темнокаштановые почвы (маломощные и среднемощные, глубоковскипающие, остаточносолонцеватые или слабосолонцеватые). В меньшей мере - лугово-каштановые (нормальные, глубоковскипающие, осолоделые, слабосолонцеватые) и каштановые (маломощные), часто - в комплексе с солонцами степными мелкими и средними солончаковатыми и солончаковыми. По механическому составу почвы правобережья супесчаные и песчаные, на левобережье – суглинистые, легкосуглинистые, но встречается и супесь. В пределах поймы р. Ертыс – почвы аллювиальные.
По данным Павлодарского НИИСХ [108], почвы рассматриваемой нами территории определяются как каштановые глубоковскипающие маломощные и среднемощные (супесчаные и легкосуглинистые). Почвы города и пригорода характеризуются [52, С.171] следующими физико-химическими свойствами: содержание гумуса – 1,26-1,97%, ила – 7,02-12,24, физической глины – 2,10-5,66, сумма фракций физической глины – 10,58-20,58, содержание карбонатов (на глубине 85-140см) – 1,34-4,66%, рН водной вытяжки – 6,66-6,94.
- Факторы антропогенной трансформации и их влияние на растительность
Тенденции развития растительного покрова отдельных территорий определяются действием взаимообусловленных природных и антропогенных факторов. При научных исследованиях, как правило, большое внимание уделяется изучению природных факторов, играющих роль в формировании растительного покрова, а антропогенные - выявляют выборочно, в основном - преобладающие. Такой подход не совсем верен, так как на растительность любой территории одновременно оказывает воздействие комплекс факторов, а ее состояние и устойчивость зависит от их общего эффекта.
При выявлении факторов воздействия нами использовалась обобщенная классификация, разработанная сотрудниками лаборатории геоботаники Института ботаники и фитоинтродукции для территории Казахстана [2, с. 34], согласно которой выделяют следующие виды воздействия на растительный покров (Таблица 1), способные привести к его трансформации.
Таблица 1 - Основные факторы трансформации растительности и характер их распространения
| Факторы воздействия | Объекты | Характер распределения |
| Сельскохозяйственные | ||
| Пастбищное использование | Пастбища, места содержания скота, водопункты | Площадное, локально-точечное |
| Сенокошение | Сенокосы | Локально-площадное |
| Земледелие (распашка) | Поля, огороды | Площадное |
| Лесохозяйственное | Лесополосы, сады и т.п. | |
| Техногенные | ||
| Химическое загрязнение | Почвы, растительность | Площадное |
| Транспортное воздействие | Дороги | Линейно-мелкоплощадное |
| Строительство и эксплуатация ЛЭП | ЛЭП и прилегающие территории | Линейное, точечное |
| Прочие | ||
| Гидротехнические сооружения | Каналы, водохранилища и т.п. | |
| Селитебное воздействие | Населенные пункты хозяйственные объекты и т.п. | Локально-площадное, диффузное |
| Рекреация | Территории, служащие для отдыха населения | Локальное, диффузное, мелкоплощадное |
| Пожары | Поля, пастбища, сенокосы и т.п. | Площадное |
Эта классификация широко используется для оценки состояния растительного покрова и детализируется авторами с учетом особенностей конкретной территории [74,с.117;109;110], но, прежде чем подойти к детализации, необходимо установить источники воздействия.
- Воздействие на почвы и растительность механических факторов
Сельскохозяйственное воздействие. Основными факторами этого типа воздействия на растительный покров в районе исследований являются распашка земель и перевыпас скота.
В настоящее время в радиусе 50 км от г. Павлодара значительные площади занимают залежи, представленные антропогенно-производными группировками растительности, формирующимися на трансформированных в результате многолетней распашки темнокаштановых почвах. Многие участки земель на данный момент выведены из севооборота, в связи с чем наблюдается процесс естественного восстановления залежей (демутация). В зависимости от возраста залежей и экологических условий конкретного участка (рельеф, почвы и т.п.) растительность находится в различных стадиях зарастания. На залежах 1-3-летнего возраста формируются пионерные группировки сорных, преимущественно одно- и двулетних видов растений - бурьянистая стадия (Atriplex sagittata, Chenopodium album, Amaranthus retroflexus, Xanthium strumarium, Kochia scoparia, Capsella bursa-pastoris, Berteroa incana). В этом случае не наблюдается особой дифференциации видов по экологическим условиям. На стадии 4-6 лет доминируют сорные виды полыней (Artemisia austriaca, A. absinthium) и происходит постепенная инвазия видов аборигенной флоры (Stipa capillata, Stipa lessingiana, Festuca valesiaca и др.), которые занимают свои экологические ниши и образуют в итоге растительные сообщества, по составу и структуре близкие к коренным. Средняя продолжительность восстановления естественных условно-коренных степных сообществ (разнотравно-ковыльных, типчаково-ковыльных и т.п.) по имеющимся данным [111] составляет достаточно длительный период (более 25-30 лет).
На участках пашни имеет место земледельческая деградация почв, которая связана с уменьшением содержания гумуса (важнейшего показателя уровня естественного плодородия почв). Это обусловлено смывом и выдуванием гумуса в составе мелкозема, вертикальной миграцией в нижележащие горизонты, минерализацией его и выносом элементов питания с урожаем сельскохозяйственных культур. Кроме того, пахотные почвы, лишенные естественной растительности, становятся подверженными усиленному проявлению процессов дефляции и водной эрозии.
Для всей описываемой территории характерен неконтролируемый выпас скота, он имеет место и на большей части обследованных нами участков. Отсутствие пастбищного воздействия зафиксировано лишь на значительном удалении от селитебных зон и в непосредственной близости от промышленных предприятий (чаще в пределах 1,0-1,5 км). Последствия нерегламентированной пастбищной нагрузки выражаются в значительном обилии в составе сообществ непоедаемых ядовитых и сорных растений, таких, как полынь австрийская (Artemisia austriaca) и эбелек (Ceratocarpus arenarius).
Земледельческий и пастбищный факторы относят к площадному типу воздействия. Как правило, выпас менее разрушительно влияет на растительность, чем распашка, при умеренном воздействии нарушения, вызванные им, могут являться потенциально обратимыми.
Сенокошение – локально-площадной тип воздействия, на территории наших исследований отмечается в пределах поймы р. Ертыс, особенно в левобережной части и, незначительно, на остальной территории (нерегламентированное и бессистемное – для нужд населения). Состояние сенокосов усугубляет также выпас скота ранней весной и по отаве.
Лесонасаждения. На обследуемой территории искусственные насаждения занимают небольшие площади, в основном это лесополосы и посадки на приусадебных участках. Трансформация такого рода оценивается как положительный фактор, так как деревья поглощают углекислый газ и создают особый микроклимат для формирования растительности нижнего яруса. Кроме того, в лесопосадках происходит снижение скорости ветра в приземном слое, что способствует снегозадержанию и, следовательно, уменьшению глубины промерзания почв и возрастанию продуктивной влаги. Также здесь идет отложение переносимого ветром мелкозема, богатого органическим веществом, обеспечивающего усиление гумусового горизонта. Все эти факторы благоприятно сказываются на растительном покрове нижнего яруса искусственных насаждений и окружающей территории.
Транспортное (дорожная сеть) – линейно-локальный необратимый вид воздействия, характеризующийся запылением и химическим загрязнением растений, что отрицательно сказывается на фотосинтезе, дыхании и их общем жизненном состоянии, особенно на продуктивности семян. Иногда наблюдается полное уничтожение растительного покрова вдоль дорог. Сильная дорожная дигрессия с необратимыми нарушениями приурочена, в первую очередь, к асфальтовым и грейдерным дорогам, строительство которых сопровождается созданием насыпей и снятием грунта по обочинам. Даже при условии хорошей закрепленности насыпей растительностью, отсутствии признаков водной и ветровой эрозии, подобные нарушения почвенного покрова являются необратимыми и создают зону отчуждения шириной до 50 м. В таких условиях преобладают дигрессионно-активные виды растений (Artemisia absinthium, Festuca valesiaca, Convolvulus arvensis).
Умеренная дорожная дигрессия характерна для полевых дорог временной или редкой эксплуатации и характеризуется неглубоким врезом колеи относительно поверхности, хорошей закрепленностью бровки растительностью. Слабая степень дигрессии связана с дорогами единовременной или непродолжительной эксплуатации. Растительный покров в таких случаях по обочинам мало трансформирован, а полотно дороги быстро зарастает также сорными растениями (на начальных стадиях), устойчивыми к уплотнению почвы (Polygonum aviculare, Cannabis ruderalis, Taraxacum officinale). Интенсивность восстановления растительности зависит от механического состава и режима увлажнения почв, а также степени расчленения рельефа. Наиболее сильно воздействие транспортного фактора выражено вблизи промышленных объектов и населенных пунктов из-за сгущения дорожной сети. Следствием дорожной дигрессии почв неизбежно является развитие процессов водной и ветровой эрозии почв и трансформация растительного покрова.
Обустройство промышленных зон вокруг объектов (площадок строительства, складирования материалов, трасс инженерных коммуникаций и т.п.) связано с уничтожением естественной растительности и снятием плодородного слоя почвы или верхнего горизонта в радиусе 20-50 м вокруг объекта. После завершения мероприятий по обустройству идет процесс естественного зарастания (механизм восстановления растительности такой же, как на залежах). При этом длительное время растительный покров характеризуется сложной горизонтальной структурой вследствие постоянно сменяющихся группировок сорных растений, вначале однолетних (Setaria viridis, Atriplex patula, Atriplex tatarica, Chenopodium album, Amaranthus retroflexus, Xanthium strumarium), затем – многолетних (Potentilla anserina, Potentilla bifurca, Potentilla recta, Berteroa incana, Sisymbrium loeselii, Lappula consanguinea, Acroptilon repens, Cirsium arvense, Conyza canadensis).
Иногда наблюдается полное уничтожение почвенно-растительного покрова с образованием типично техногенного рельефа (выравнивание площадок, разработка карьера и пр.). Несмотря на крайнюю степень деградации растительности в период строительства, потенциал естественного восстановления растительности после завершения мероприятий сохраняется в случае, если участок не изымается полностью под какой-либо объект.
Эксплуатация радиорелейных линий и линий электропередач (ЛЭП). Вблизи опор изменяется температурный режим, что приводит к локальной ксерофитизации растительности. Данный вид воздействия распространяется на небольшие площади и обычно приурочен к дорожной сети, в том числе и на территории наших исследований. Под линиями ЛЭП растительный покров трансформирован в слабой степени, в основном из-за воздействия других факторов (выпас скота и т.п.).
Селитебное воздействие связано с созданием инфраструктуры. На исследуемой территории этот фактор очень значим, поскольку рассматриваемый регион имеет промышленную направленность и достаточно большую плотность населения. Это необратимый площадной тип воздействия, характеризующийся выравниванием рельефа, полным уничтожением естественной растительности и снятием плодородного слоя почвы на локальной площади (в зависимости от размера объекта). После строительства вблизи объектов наблюдается ландшафтная конвергенция растительных сообществ (что также отмечается на всей территории исследований) с преобладанием сорных, рудеральных видов с широкой экологической амплитудой (Capsella bursa-pastoris, Amaranthus blitum, Amaranthus blitoides, Chenopodium album). В отдельных случаях на их месте создаются искусственные агроценозы (газоны, клумбы, лесонасаждения), эстетически улучшающие производственные ландшафты. Селитебно-промышленная деградация почв связана с тотальным уничтожением естественного почвенного покрова, и помимо участков размещения производственных и жилых строений захватывает полосу шириной, по меньшей мере, 300 м вокруг территории застройки, которая является зоной многопланового антропогенного воздействия и представляет собой, по сути, участки, где растительность полностью преобразована.
Рекреация – этот вид воздействия имеет широкое распространение на рассматриваемой территории и сопровождается нарушением растительного покрова (вытаптывание, обламывание деревьев, кустарников), а также уплотнением почв по тропам и сильным локальным захламлением бытовым мусором. Места отдыха соответствуют наиболее благоприятным территориям вокруг водоемов (пляжи на правом и левом берегах р. Ертыс, пойма, соленые озера). Также населением осуществляется сбор плодов и ягод в лесопосадках и по левобережью реки, что только ухудшает состояния растений. Индикаторами трансформации растительности вследствие рекреации являются устойчивые к вытаптыванию виды, такие как спорыш (Polygonum aviculare), подорожник (Plantago major, P. maritima), лапчатка гусиная (Potentilla anserina) и другие.
Создание гидротехнических сооружений. Локальный вид воздействия, связан со строительством небольших плотин, водоемов и выражается в подтоплении и затоплении территории, что сопровождается гидрофитизаций и мезофитизацией растительности в зоне влияния объекта. Индикатором поверхностного затопления являются тростник южный (Phragmites australis), а подтопления - дурнишник обыкновенный (Xanthium strumarium), осот полевой (Sonchus arvensis) и др. На рассматриваемой территории действие этого фактора незначительно.
Пирогенный (пожары) – локально-площадной вид воздействия, приводящий к полному уничтожению растительности. Наиболее пожароопасны степные участки в летнее-осенний сезон и засушливые годы. В пойме р. Ертыс обычны весенне - осенние пожары антропогенного характера. Они усиливают эрозию почв, способствуют трансформации растительных сообществ. Согласно Иванову В.В. [8, С.91-100] влияние пожаров на растительность можно считать положительным фактором, если выжигание не затрагивает дернину, происходит периодически с интервалом в 5-7 лет (после отмирания надземных органов растений поздней осенью или до начала вегетации ранней весной). Это способствует хорошему отрастанию молодых побегов, особенно дерновинных злаков (Festuca valesiaca, Agropyron pectinatum). Летние и ежегодные пожары отрицательно сказываются на семенной продуктивности растений. На обследованной территории отмечены (редко) следы очагов старых пожаров, которые диагностируются преобладанием молодых (ювенильных) особей растений, отсутствием старника и неразложившегося опада на поверхности почвы. Также изредка встречаются недавно выгоревшие участки (на многих выгорает не только травостой, но и семенной материал в поверхностном слое почвы, что ведет к потере флористического и фитоценотического разнообразия).
В целом, в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара современное состояние растительности оценивается как удовлетворительное. Это обусловлено тем, что в результате достаточного количества осадков, по сравнению с пустынной зоной, здесь не происходит уменьшения проективного покрытия почвы растениями и видимого изменения габитуса растений. При этом в растительном покрове практически отсутствуют коренные сообщества, распространены вторичные производные с доминированием рудеральных видов (дигрессионно-активных и сорных) (Artemisia austriaca, Lactuca serriola, Conyza canadensis, Cirsium arvense, Polygonum aviculare, Chenopodium album, Bassia sedoides, Atriplex tatarica и другие). Они характеризуются бедностью и однотипностью флористического состава и простой структурой, поэтому дифференциация сообществ по элементам рельефа и типам почв отсутствует, а на ландшафтном уровне наблюдается конвергенция растительности, которая выражается в континуальности и однородности.
Несмотря на это, в последние годы все же отмечаются положительные тренды в динамике растительных сообществ, выражающиеся в восстановлении естественной растительности. Природная динамика растительности имеет характер циклических флюктуаций, под действием антропогенных факторов наблюдаются направленные изменения – сукцессии. Флюктуации характерны для условно коренных слабонарушенных сообществ солонцов, а также для локальных участков целинных степей, удаленных от населенных пунктов. На остальной территории динамика растительности имеет характер обратимых сукцессий (в зависимости от продолжительности и степени антропогенного воздействия), в связи с чем вторичные растительные сообщества относятся к категориям коротко - или длительнопроизводных. На локальных участках, долгое время испытывающих сильные антропогенные нагрузки (перевыпас, сбой и т.п.) динамика растительности имеет характер необратимых сукцессий. Флористическая композиция сообществ обычно хаотическая, неустойчивая в пространстве и во времени, то есть, выражен тренд опустынивания или деградации, вследствие большого площадного охвата имеет место диаспорический «голод».
4.2 Воздействие на почвы и растительность химических факторов
В окрестностях крупных городов с развитой промышленностью, в том числе и г. Павлодара, имеет место полифакторное воздействие на растительность и другие компоненты окружающей среды. Кроме указанных физических факторов, на состояние растительного покрова влияет химическое загрязнение, относящееся к площадным, необратимым типам антропогенного воздействия. В районе наших исследований оно имеет фронтальный характер, поскольку предприятия г. Павлодара и его окрестностей систематически производят выбросы вредных веществ, загрязняя атмосферу, гидро- и литосферу. Среди крупных индустриальных центров Казахстана г. Павлодар является одним из наиболее загрязненных [112].
В выбросах промышленных предприятий региона, по данным ПОТУООС [113], содержатся в основном окислы азота, серы и углерода, а также вещества, наличие которых обусловлено спецификой его деятельности. Для определения источников загрязняющих веществ нами установлен перечень промышленных предприятий, деятельность которых негативно отражается на экологическом состоянии окружающей территории, отдельных компонентов природной среды (почвы, воздух, вода, растительность) и здоровье населения [19-25]. К таким предприятиям относятся:
ТЭЦ г. Павлодара. ТЭЦ предназначены для выработки электроэнергии и отпуска тепловой энергии. От ТЭЦ в атмосферу, через организованные источники выбрасывается: зола угля, пыль угольная, оксиды азота, серы, углерода, зола мазутная, а через неорганизованные: пыль угольная, углеводороды, оксиды азота, хрома, никеля, кремния, марганца, углерода, пыль древесная и абразивная, сварочный аэрозоль и фтористый водород.
Золоотвалы ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 представляют собой единый техногенный массив, западная часть которого представлена золоотвалом ТЭЦ-3, а восточная - ТЭЦ-2. Намыв золошлаковых материалов ведется под воду для исключения распространения сухой золы по территории и в атмосфере.
Павлодарский алюминеивый завод (ПАЗ), АО «Алюминий Казахстана» производит переработку низкокачественных бокситов месторождений Центрального Казахстана (Краснооктябрьский и Тургайский рудники). При производстве глинозема в атмосферу выбрасываются следующие вредные вещества: пыль неорганическая; щелочи NaOH; азота оксид, углерода оксид, серы диоксид, зола мазутная; пыль глинозема, алюминия оксид, пыль спека. В процессе производства галлия выделяются (NаОН), пары соляной и азотной кислот. При производстве сульфата алюминия - аэрозоль серной кислоты и пыль сульфата алюминия.
АО «Павлодарский Нефтехимический Завод». Основная деятельность предприятия - переработка нефти Западно-Сибирского месторождения. В атмосферный воздух в результате выбрасываются: оксиды азота, серы, углерода, пыль, сероводород, фенолы, углеводороды и т.д. Категория опасности предприятия по количественному и видовому составу выбрасываемых веществ - 1. Класс объекта по санитарной классификации - 1, категория по Экологическому Кодексу - 1.
ПФ ТОО «KSP Steel» (ПФ ТОО «Кастинг»). Характер стационарных источников выбросов предприятием загрязняющих веществ в атмосферу определяется спецификой сталеплавильного производства, имеющего в своем составе электродуговые сталеплавильные печи. Загрязняющие вещества: диоксид и оксид азота; азотная кислота; аммиак; взвешенные вещества; железа оксид; марганец и его соединения; натрия гидроксид; пыль абразивная; пыль меховая; пыль неорганическая, содержащая 20-70% SiО2; пыль неорганическая, содержащая менее 20% SiО2; серная кислота; серы диоксид; углерода оксид; уксусная кислота; формальдегид.
АО «Химпром» - на территории данного предприятия располагаются цеха АО «Каустик», занимающегося изготовлением каустической соды. В процессе деятельности предприятия выделяются оксид и диоксид углерода.
Аксуский завод ферросплавов (АЗФ), филиал АО ТНК «Казхром». В состав А3Ф входят несколько подразделений, в результате деятельности которых выделяются пыль, сернистый ангидрид, окись углерода, ферросилициум, феррохром и ферромарганец [25, С.81], и другие вещества. Предприятие относятся к I классу опасности.
АГРЭС АО «Евразийская Энергетическая Корпорация» - крупнейший производитель электроэнергии в Казахстане, действующая базовая конденсационная электростанция с установленной энергомощностью 2100МВт, установленной тепловой мощностью – 195 Гкал/ч. Класс опасности производства - 1. Выбросы загрязняющих веществ на объектах станций АО ЕЭК осуществляются от 31 организованного (из них 22 оснащены газопылеочистными установками) и 30 неорганизованных источников. Загрязняющие вещества: серы диоксид, пыль неорганическая (содержащая 20-70% SiО2, и менее 20% SiО2), окислы азота (IV,II), железа (II,III), взвешенные вещества, бензол, диванадия пентоксид, марганец и его соединения, никеля оксид, пыль древесная, пыль абразивная.
Золоотвалы станции расположены вне промплощадки. Пылеподавление сухих участков золоотвалов производится биологическим способом. Золоотвалы не являются источниками загрязнения атмосферы при условии, что на них регулярно выполняются работы по рекультивации по всем отработанным картам. При условии складирования золошлаковых материалов во вновь выстроенные карты под слой воды рассеивание золы в атмосфере исключается. Иначе золоотвалы ТЭЦ так же, как и выбросы предприятий, становятся источником загрязнения. Занимая значительную территорию, они поставляют ТМ в долговременно (почвы, растительность) и временно (подземные и поверхностные воды, воздух) депонирующие среды [114], но по сравнению с промышленными выбросами и отходами, концентрация химических элементов для зол и шлаков энергетических установок, работающих на угле, меньше.
Основными источниками загрязнения атмосферы региона, и впоследствии других природных сред, являются [18, С.55]:
- ТЭЦ-1-3 – 79% от общего загрязнения;
- ПНХЗ и ПАЗ – (16,3%);
- ПТЗ (ПФ ТОО «KSP Steel») – 1,7%;
- ПХЗ (АО «Каустик») – 0,1%.
Для г. Аксу – АГРЭС (75%) и АЗФ (15%). Кроме того, довольно значительным источником загрязнения окружающей среды г. Павлодара и г. Аксу становится, помимо промышленных предприятий, автотранспорт.
По данным Хлыстуна Н.М. [18, С.55] на 1999г, большую часть в общем загрязнении атмосферы г. Павлодара, г. Аксу и пригородных территорий составляют пыль, SO2 и NO2. Широко проявленное в регионе пылевое загрязнение приводит не только к изменению качества и структуры почв, отчуждению плодородных земель, но и к возникновению вторичного запыления территории и загрязнению атмосферного воздуха [16, с.40].
В растения вещества и элементы, содержащиеся в выбросах промышленных предприятий, поступают через атмосферу или почву. В Таблице 2, составленной на основе анализа полученных нами данных и литературных источников [43, 115-131] рассмотрено действие токсикантов, входящих в состав эмиссий различных предприятий, на растения и растительные сообщества.
Таблица 2 - Влияние выбросов промышленных предприятий на растительность
| Токсиканты | Действие на растения и растительные сообщества | Примечание |
| 1 | 2 | 3 |
| Кислые газы (F2, Cl2, CO и CO2, окислы фосфора P2O5 и H2S) | Вызывают нарушения физиолого-биохимических процессов в результате подкисления протоплазмы клетки, что ведет к прекращению фотосинтеза, усилению окислительных процессов. | Обладают наибольшей токсичностью для растений. Характер действия различных кислых газов и паров кислот сходен. |
| Сернистый газ SO2 | Вызывает разрушение хлорофилла, недоразвитие пищевых зерен, нарушает функции сосудистой системы. Усиливается монодоминантность фитоценозов, в основном за счет выпадения мхов и лишайников. Локализуется сера в основном в листовых пластинках. В некоторых случаях сульфат (в который превращается SO2) вызывает некрозы края листа. | Соединения серы, в т.ч. SO2 – наиболее опасные техногенные поллютанты. SO2 является одним из сильнодействующих ассимиляционных ядов. В растениях происходит его детоксикация, из газовой фазы SO2 переходит в менее подвижное и менее токсичное состояние – окисляется в сульфат. |
| Газообразный NO и NO2 | Вызывает понижение интенсивности фотосинтеза, что приводит к снижению продукции биомассы и общей жизнедеятельности растений. | В концентрациях, не приводящих к появлению видимых повреждений. Поглощение почвой двуокиси азота из атмосферы после ряда химических реакций может приводить к подкислению и обогащению ее S и N. |
| Фториды | Влияют на темпы роста и урожайность растений. Основная опасность для многолетних растений – длительное влияние очень низких концентраций. | В случае накопления в растениях как компонентах пищевой цепи – опасно для животных, т.к. вызывает отравления и заболевания (флуорозы). |
| Щелочные газы (аммиак), как и кислые газы | Проникают в мезофилл, повреждающее действие связано с подщелачиванием клеточной среды, нарушением транспорта электронов в дыхательной цепи и фосфорилирования. | |
| Пары кислот (HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4 и органических, аэрозоли H2SO4, HCl) | Часто вызывают ожоги листьев различной локализации. | Стимулируют хлороз и некроз листьев. |
Продолжение таблицы 2
| 1 | 2 | 3 |
| Углеводороды | Вызывают у растений эпинастию и другие серьезные нарушения формообразовательных процессов. | |
| Пыль (золоотвалы ТЭЦ и ТЭС, др.) | сильное запыление вызывает нарушение температурного и водного режимов растения, разрушение хлорофилла препятствует поглощению световой энергии, что сказывается на фотосинтезе и газообмене. Происходят изменения в серном, азотном и фенольном обменах. Ослабляется жизненное состояние и репродуктивная способность растений. Снижается урожайность | Является мощным фактором деградации растительности. Из состава сообществ выпадают чувствительные (опушенные и широколиственные), малообильные виды. |
| Шламы | Вследствие высокой фитотоксичности шламов растительность у шламоотвалов практически отсутствует (иногда на небольших участках отмечаются тростниковые фитоценозы) | |
| Тепловое загрязнение | Изменение фенологических ритмов растений. На промышленных площадях предприятий растения начинают вегетационный период на 1-2 недели раньше и на месяц раньше заканчивают. | Листья деревьев и кустарников мельчают, побеги укорочены и утолщены. |
| Соединения металлов (свинец, медь, мышьяк, ртуть, др.) | Высокий фитотоксический эффект ТМ в результате значительной аккумуляции их в растительных тканях заключается в ингибировании ростовых процессов и снижении накопления биомассы, нарушении сроков прохождения фенофаз, морфологических изменениях надземных органов (скручивание листьев, метаморфоз пестиков и тычинок в листоподобные образования с хлорофиллом и т.д.) и корней (утолщение, искривление) с последующим их повреждением, изменениях в анатомической структуре стебля и корня, хлорозе (деградации хлорофилла, нарушении водного обмена и, как следствие, снижении урожайности. В результате понижается устойчивость сообществ к различным нагрузкам, обеднение флоры, упрощение структуры и развитие процессов опустынивания и деградации. | Накапливаясь в почвенных субстратах, могут поглощаться корнями (в зависимости от свойств субстрата) и/или перемещаются в надземные части растения. |
Продолжение Таблицы 2
| 1 | 2 | 3 |
| Медь (Cu) | Участвует в фотосинтезе, дыхании, перераспределении углеводов, восстановлении и фиксации азота, метаболизме протеинов и клеточных стенок. Может вызывать повреждение тканей, изменение проницаемости мембран. У разных видов концентрации меди в побегах редко превышают 20мг/кг сухой массы (рассматривается как граница избыточных содержаний). Многие растения могут содержать больше Cu, особенно в корнях (Cu чаще связана с клеточными стенками и малоподвижна). | Низким содержанием меди характеризуются почвообразующие субстраты легкого гранулометрического состава. Тонкодисперсные материнские породы депонируют меди больше, чем грубодисперсные: глины – 26-34мг/кг, суглинки – 14-25мг/кг. |
| Цинк (Zn) | в больших количествах вызывает мутагенный, канцерогенный и токсичный эффект, угнетение растительности. Влияет на формирование генеративных органов и плодоношение. Недостаток цинка задерживает рост растений. | Активен в слабокислых и кислых почвенных условиях. |
| Стронций (Sr) | Геохимические и биохимические свойства близки к свойствам кальция. Содержание Sr варьирует от <1 до 10 000мг/кг сухой массы и до 15 000мг/кг золы (чаще – 10-1500мг/кг сух. массы). Sr переносится из корней в побеги медленно, но большие содержания его фиксируются чаще в наземных частях растений. Токсичный уровень Sr для растений составляет 30мг/кг золы. | Содержание Sr в почве в большей степени контролируется составом материнских пород и климатом. Интервал его содержаний в поверхностных горизонтах составляет 18-3500мг/кг. |
| Свинец (Pb) | Роли Pb в метаболизме не выявлено. Ингибирует дыхание и фотосинтез в ткани растения. Даже очень низкие концентрации Pb могут замедлять некоторые жизненные процессы, но свинцовые отравления у растений в естественных условиях редки. Естественные уровни содержаний Pb в съедобных частях растений незагрязненных областей - 0,001-0,08мг/кг влажной массы, 0,05-3,0мг/кг сухой массы и 2,7 - 94,0мг/кг золы. | Поглощение растениями солей Pb происходит и из воздуха, и из почвы, но больше всего его накапливается в тканях корней, откуда в стебель перемещается только около 3% Pb. Он извлекается корнями растений из почвы при любых концентрациях, в зависимости от почвенных и растительных факторов. |
| Хром (Cr) | Может как стимулировать развитие растений, так и являться фитотоксичным (для овса на почвах с содержанием хрома в 634мг/кг и 49мг/кг сухой растительной массы). Содержание хрома в растительном материале обычно составляет 0,02-0,20мг/кг сухой массы, но в пищевых растениях концентрации зависят от характера растительной ткани и стадии роста. Наиболее высокие концентрации хрома наблюдаются в корнях. | Увеличение содержания хрома в растениях связано с антропогенными источниками, но доступны чаще растворимые формы. Поведение хрома зависит от рН и от окислительно-восстановительного потенциала почв. Общее среднее содержание Cr в поверхностном слое почв мира оценивается в 65мг/кг. |
