На правах рукописи

Бадмаева Зула Борисовна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

ПОЧВЕННОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА КАРЬЕРОВ

РЕСПУБЛИКИ КАЛМЫКИЯ

03.02.08 – экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Саратов – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Калмыцкий государственный университет» на кафедре химии и ФГБУ «Станция агрохимической службы «Калмыцкая»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор кафедры химии Калмыцкого государственного университета Сангаджиева Людмила Халгаевна (г. Элиста)

Официальные оппоненты: Попов Николай Владимирович, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией эпизоотологического мониторинга РосНИПЧИ «МИКРОБ» (г. Саратов) Новикова Любовь Александровна, кандидат биологических наук, доцент, заведующая гербарием имени И.И.Спрыгина Пензенского государственного педагогического университета имени В.Г.Белинского (г. Пенза)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Защита состоится « 12 » апреля 2012 г в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.13 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83;

E-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке имени В.А. Артисевич ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского».

Автореферат разослан «_» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета С.А. Невский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях нарастающего антропогенного прессинга на земельные угодья отмечается неуклонное ухудшение их экологического состояния. На территории Калмыкии сосредоточено большое количество карьеров, прежде всего песка, известняка и глиногипса. Разработка карьеров оказывает техногенное воздействие на окружающие природные комплексы сухостепной зоны, вызывая нарушение естественного развития биогеоценозов, изменяя интенсивность биологического круговорота, характер почвообразующих процессов и структуру растительных сообществ. Основным источником техногенного рассеивания тяжелых металлов (ТМ) являются техногенные потоки процессов открытой разработки месторождений. Это определяет необходимость комплексного изучения особенностей природных объектов: почв, растений и ландшафтов в целом, оказывающихся в сфере воздействия техногенных источников загрязнения.

Цель исследования: дать экологическую оценку почвенно-растительному покрову карьеров Республики Калмыкия. Для достижения обозначенной цели были поставлены следующие задачи:

определить содержание биогенных элементов в почвогрунтах карьеров;

проанализировать содержания техногенных элементов в почвогрунтах карьеров;

определить видовой состав растительных сообществ карьеров открытых разработок песка, глиногипса и известняка по систематической и биоэкологической структурам;

изучить содержание техногенных элементов в растениях зоны разработки карьеров;

выявить виды растений–биотесты по содержанию техногенных элементов, с последующим использованием их в рекультивации земель.

Научная новизна работы. Проведена комплексная экологическая оценка состояния почв и растительности, расположенных в зоне влияния карьеров известняка, песка и глиногипса; выявлен характер распределения техногенных элементов в разных видах травянистых растений; изучена аккумулирующая способность растений; получены новые, оригинальные данные о видовом составе и направленности формирования растительности территорий, нарушенных при добывании открытым способом известняка, песка и глиногипса.

Теоретическая значимость работы. Материалы, научные положения и выводы, изложенные в работе, вносят вклад в основы экологии и природопользование, промышленную экологию и имеют значение для разработки программы по изучению современного состояния почвеннорастительного покрова в условиях открытой разработки полезных ископаемых.

Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при планировании оптимальных методов рекультивации отработанных и загрязненных территорий; комплексной экологической оценке техногенных территорий; мониторинге состояния природной среды, подвергающейся воздействию открытой разработки нерудных месторождений.

Положения, выносимые на защиту:

Открытая разработка карьеров строительных материалов увеличивают интенсивность техногенного воздействия на компоненты экосистем. Валовое содержание ТМ (кадмия, свинца) в почвогрунтах и растениях в зоне влияния карьеров превышает фоновые концентрации.

Для каждого исследованного карьера характерен свой специфический набор видов растений, отражающий экологические условия местообитания.

Загрязнение ТМ растений карьеров в целом повторяет пространственную структуру и особенности загрязнения почвогрунтов рассматриваемых территорий. Основным элементом-загрязнителем растений карьеров является кадмий, источниками которого служат отвалы месторождений.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научных конференциях: Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Кабардино-Балкарского ун-та (Нальчик, 2009), VII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды Марийский государственного университета (Йошкар-Ола, 2009), Международной научной конференции с элементами научной школы для молодежи (Махачкала, 2009), Региональной 7 международной научнопрактической конференции (Элиста, 2010), 4 Международной научной конференции (Астрахань, 2011), 7 Всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых (Астрахань, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, из которых 2 – в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Декларация личного участия автора. Автором осуществлен весь комплекс полевых и аналитических исследований. Анализ полученных результатов осуществлен автором самостоятельно по плану, согласованному с научным руководителем. Доля участия автора в подготовке и написании публикаций в соавторстве пропорциональна количеству авторов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 156 стр., содержит 33 таблицы, 24 рисунка и приложение на 15 страницах.

Список цитированной литературы состоит из 175 источников отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ К УСЛОВИЯМ ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННОЙ СРЕДЫ (обзор литературы) В данной главе представлен обзор публикаций, посвященный вопросам самовосстановления почвенно-растительного покрова карьеров (Абакумов, Гагарина, Лисицына, 2005; Костенко, Опанасенко, 2005), формированию техногенных ландшафтов. В обширной научной литературе детально рассмотрены экологическая и геохимическая характеристика тяжелых металлов (Виноградов, 1962; Школьник, 1974; Перельман, 1975; Ковда, 1985; Алексеев, 1987; Ильин, 1991 и др.), особенности миграции и аккумуляции их в почвах и растениях в зависимости природных и техногенных факторов (Перельман, 1975, 1989; Глазовская, 1988; Алексеенко, 1990, 2000; Касимов, 1992;

Прохорова, Матвеев, 1998, 2003, 2008; Adriano, 1992).

Глава 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ

УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Климат Калмыкии резко континентальный – лето жаркое и очень сухое, с температурой воздуха, часто доходящей до +44°С, а зима довольно суровая, хотя и неустойчивая. Территория республики, благодаря своему географическому положению, получает много солнечной радиации.

Продолжительность солнечного сияния здесь составляет 2180–2250 ч в год.

Разница между испаряемостью и количеством выпадающих осадков составляет до 700–800 мм, что свидетельствует о большом дефиците влаги (Агроклиматические ресурсы…, 1971). Земли Республики Калмыкия (РК) имеют целый ряд природных особенностей, делающих их особо уязвимыми по отношению к антропогенному воздействию.

Согласно схеме почвенно-географического районирования почвенный покров исследуемой территории представлен в основном светло-каштановыми почвами (Бакинова, 1994). Согласно геоботаническому районированию, изучаемая территория находится в пределах сухостепной зоны, ЗаволжскоКазахстанской провинции, Ергенинской и Кумоманычской подпровинции, евразийской степной области (Бананова, 1990).

Исследование проводилось 2007–2011 гг. В качестве объектов исследования были использованы образцы почвогрунтов и растений, отобранные на карьерах РК: известняка-ракушечника (Зунда-Толга, ЧолунХамур), песка – Аршанский и глиногипса – Ленинский. Отобрано и проанализировано 520 образцов, в том числе 360 почвенных и растительных.

Карьеры Зунда-Толгинского и Чолун-Хамурского месторождений известняков-ракушечников расположены южнее г. Элиста, в 81 км. Их эксплуатация началась в 1969 г. В гидрологическом отношении исследуемый район входит в бассейн р. Восточный Маныч. По форме полезное ископаемое представляет собой пластообразную залежь. Длина залежи (1400 м) прослеживается вдоль левого берега р. Верхний Маныч, при ширине около м. Мощность залежи составляет в среднем 4,7 м. В геологическом строении месторождений принимают участие сарматские известняки-ракушечники.

Карьеры имеет прямоугольную форму, глубина составляет порядка 10 м.

Ввиду того, что карьер Зунда-Толга уже более 15 лет не эксплуатируется, происходит его активное зарастание травянистой растительностью. Выход подземных вод не наблюдается, на территории, прилегающей к карьеру, сформировалась растительность, типичная для подзоны сухих степей.

Аршанское месторождение силикатного песка расположено в 3,5 км к югу от г. Элисты, на левом склоне балки Аршан. Месторождение разведано в 1964– 1965 гг. В геологическом строении принимают участие отложения неогеновой и четвертичной систем. Полезная толща состоит из двух слоев: нижний слой – пески серовато-желтого цвета, кварцевые, разнозернистые, с конкрециями и линзами песчаников мощностью от 0,01 до 0,6 м. Площадь карьерной части составляет 0,48 км2, глубина – более 30 м. Территория занятая отвалами, составляет около 0,2 км2. Отвалы задернованы слабо, что свидетельствует о дефиците увлажненности за пределами карьера.

Ленинское месторождение глиногипса расположено в Целинном районе, в 20 км к северо-востоку от г. Элиста. Месторождение разведано в 1969–1970 гг.

Полезная толща сложена глиногипсами хвалынского возраста. Масштабы разработок небольшие. Высота отвалов достигает 0,5 м.

Для каждого карьера были составлены краткие характеристики растительных сообществ. Для характеристики растительных сообществ закладывали площадки размером 100 м2. При описании сообществ на пробных площадках учитывали встречаемость и общее проективное покрытие (ОПП) слагающих сообщества растений. Был определен химический состав (N, P, K, Ca, зола, протеин, клетчатка, жир) растений карьеров. Полевые наблюдения и отбор почвогрунтов (глубина 0–30 см) проведены по методике, используемой при ландшафтно-геохимических исследованиях (Перельман, Касимов, 1999).

Всего было отобрано и проанализировано 360 образцов. В них определяли ТМ в валовой форме: Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Cr, As, Hg, Ni, Pb, Cd. Такие макроэлементы, как N, P, K были определены по общепринятым методикам (Аринушкина, 1970). Все анализы выполнены автором в аккредитованной Госстандартом России лаборатории ФГБУ САС «Калмыцкая» МСХ РФ.

Контролем служили данные агрохимического и эколого-токсикологического обследования Целинного и Ики-Бурульского районов РК. Для аналитических исследований отобранных проб почв и растений использовались следующие виды анализов: фотоколориметрия, пламенная фотометрия, атомноабсорбционная спектрофотометрия, потенциометрия, титриметрия. Названия видов растений приводятся по П.Ф. Маевскому (2006).

Для оценки экологического состояния природных сред рассчитывался ряд показателей (Черных и др., 2003): коэффициент концентрации (Kк), суммарный показатель загрязнения (Zc), коэффициент биологического поглощения (КБП).

Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

КАРЬЕРОВ

Солевой состав почвогрунтов. По содержанию водорастворимых солей исследованная территория карьеров известняка Чолун-Хамур и Зунда-Толга является сильнозасоленной. Для всех почвогрунтов характерен хлоридный и карбонатно-хлоридный тип солевого профиля по анионам и натриевый, редко кальциевый, по катионам. Засоленность почвогрунтов старого карьера песка Аршанский не равномерная: относятся к слабозасоленным, среднезасоленным и сильнозасоленным (сухой остаток – 0,23–0,63%). Для этого карьера в сильнозасоленных почвогрунтах характерны хлоридный и сульфатнохлоридный типы засоления. В сравнении со старым в новом карьере Аршанский наблюдались сильнозасоленные (преобладали) и среднезасоленные почвы (сухой остаток – 0,3–1,6%). Исследованные почвогрунты карьера глиногипса Ленинский относятся к хлоридно-сульфатному типу засоления. В карьере наблюдалось очень сильное засоление (сухой остаток 1,95–3,37%) (рис.

1).

Рис. 1. Распределение ионов водорастворимых солей Особенности химического состава почвогрунтов исследованных карьеров.

Для формирования фитоценозов наиболее значимы такие факторы, как свойства субстрата (первичное плодородие, наличие токсических веществ).

Специфика почвообразования в техногенных ландшафтах карьеров известняка связана с высоким содержанием карбонатов и повышенной щелочностью почв.

Однако развитие процессов выщелачивания, сопровождающего почвообразование, способствует растворению карбонатов и снижению щелочности почв. Так, в почвогрунтах карьера Зунда-Толга (не действующий), развивающихся на известняковых породах, содержание карбонатов ниже в 1, раза, чем в карьере Чолун-Хамур. Для фоновых почв характерно содержание карбонатов до 11,8%.

Для экологической оценки почвенного покрова карьеров был проведен химический анализ образцов почвогрунтов на содержание биогенных элементов. На территории всех исследованных карьеров отмечено очень низкое содержание гумуса (в среднем Чолун-Хамур.

Среди изученных растений высоким содержанием жира отличались шалфей эфиопский (8,47%), молочай Сегиеров (6,12). Во всех изученных карьерах отмечено высокое содержание жира в растениях полыни 3,60–7,05%. Среди изученных образцов растений карьеров максимальное содержание сырого протеина наблюдалось у растений карьера Чолун-Хамур (в среднем 19,97%).

Особенности произрастания растений на известковых грунтах отражало накопление клетчатки. У большинства растений карьеров Зунда-Толга и Чолун-Хамур отмечалось высокое содержание клетчатки 18,0–34,5%, в то же время отмечены виды с низким его содержанием (клоповник сорный (13,0) и астрагал датский (13,0)).

Результаты исследований свидетельствовали, что в условиях техногенного загрязнения ТМ экологический фактор формирования элементного состава растений становится ведущим, поскольку в условиях выявленных геохимических аномалий по Mn, Zn и Cd подвижность последних в системе «почва – растение» значительно увеличилось, что привело к избыточному накоплению этих элементов в растениях.

Следовательно, загрязнение растительности карьеров в целом повторяет пространственную структуру и особенности загрязнения почвогрунтов рассматриваемых территорий. К основным элементам-загрязнителям растительности относятся Cd, Mn, Zn, источниками которых служили отвалы месторождения. Для этой группы элементов характерна наиболее высокая степень их концентрации в растениях. Кроме того, незначительный вклад в общее загрязнение вносят Cu и Ni (рис. 4).

Рис. 4. Биогеохимические спектры распределения ТМ в фитомассе растений карьеров известняка Зунда-Толга (а) и песка Аршанский (б) Известно, что надземные органы растений с разной интенсивностью аккумулируют ТМ из почвы. В исследуемых карьерах КБП растений изменялся от 0,01 до 10, в зависимости от вида растений, особенностей почвогрунтов и природы химических элементов (рис. 5, 6).

Рис. 6. Коэффициенты биологического поглощения ТМ Полученные результаты исследований позволили выявить закономерности распределения ТМ в растениях карьеров и провести разделение растений по их устойчивости к накоплению ТМ в зависимости от принадлежности к различным семействам на три группы:

1) способные накапливать ТМ:

– Маревые (Chenopodiaceae);

– Зонтичные (Umbelliferae).

2) не накапливающие ТМ:

– Подорожниковые (Plantaginaceae);

– Бобовые (Fabaceae);

– Злаки (Poaceae).

3) характеризующиеся широкой амплитудой накопления ТМ:

– Сложноцветные (Astеraceae);

– Крестоцветные (Brassicaceae).

Некоторые виды растений карьеров, (полынь австрийская, дурнишник обыкновенный, тысячелистник Гербера), характеризовались широкой амплитудой накопления ТМ, что являлось наилучшим подтверждением предположения о том, что чем больше ТМ с широким интервалом концентраций сочетается в одном растении, тем больше экологическая амплитуда произрастания данного растения и, как следствие, выше его адаптационные способности в условиях техногенного загрязнения.

Резкие различия концентраций в растениях разных видов полыней выявлены для Mn, Zn и Ni. Можно отметить, что между содержанием ТМ в растениях и их валовым количеством в почвах существует прямая