Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
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 консультант: 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 л 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: biosovet@sgu.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке имени В.А. Артисевич ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского.
Автореферат разослан л___ 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 растенийЦбиотесты 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:
1. 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.
2. Для каждого исследованного карьера характерен свой специфический набор видов растений, отражающий экологические условия местообитания.
3. 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 +44С, а зима довольно суровая, хотя и неустойчивая. Территория республики, благодаря своему географическому положению, получает много солнечной радиации.
Продолжительность солнечного сияния здесь составляет 2180Ц2250 ч в год.
Разница между испаряемостью и количеством выпадающих осадков составляет до 700Ц800 мм, что свидетельствует о большом дефиците влаги (Агроклиматические ресурсыЕ, 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 2007Ц2011 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 1растительных.
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 7м. 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 1964Ц 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.
енинское месторождение глиногипса расположено в Целинном районе, в 20 км к северо-востоку от г. Элиста. Месторождение разведано в 1969Ц1970 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 0Ц30 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 - 0,23Ц0,63%). 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 - 0,3Ц1,6%). Исследованные почвогрунты карьера глиногипса Ленинский относятся к хлоридно-сульфатному типу засоления. В карьере наблюдалось очень сильное засоление (сухой остаток 1,95Ц3,37%) (рис.
1).
33,17,17,10,9,0, Сl- HCO3-3- SO4-2 Ca Mg2+ Na+ HCO SO42- Ca+22+ Mg+2 Na+ ClРис. 1. Распределение ионов водорастворимых солей в почвогрунтах карьера глиногипса 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 <1,00%).
По обеспеченности обменным калием почвогрунты карьеров относятся к группам с низким (101Ц200 мг/кг) и средним (201Ц300 мг/кг) содержанием.
мг-экв/100г почвы Почвогрунты всех исследованных карьеров характеризуются очень низкой обеспеченностью подвижным фосфором (<10 мг/кг).
В отвалах изученных почвогрунтов, благодаря наличию в них фосфора и калия, нейтральной и слабощелочной реакции среды, накоплению органического вещества, происходило не только быстрое их зарастание и накопление нитратов, их содержание на территории карьеров относительно повышенное (в среднем 38 мг/кг) (рис. 1).
Таблица Особенности химического состава почвогрунтов карьеров Место отбора Гумус, N-NO3, мг/кг P2О5, мг/кг К2О, мг/кг % Карьер известняка Зунда-Толга Край карьера 0,410,08 37,61,27 6,30,92 298,87,Дно карьера 0,130,01 44,52,06 7,41,17 302,57,Карьер известняка Чолун-Хамур Край карьера 0,310,14 98,00,00 3,60,69 305,018,Дно карьера 0,650,20 98,00,00 7,41,25 256,310,Поселок 1,990,27 101,07,03 14,82,11 172,93,Фон* 1,10 4,6 16,0 3Старый карьер песка Аршанский Вершина карьера 1,260,18 38,017,15 7,21,04 122,05,Склон карьера 0,530,12 7,61,03 6,11,26 123,04,Поселок 1,800,34 37,99,70 6,30,82 179,46,Новый карьер песка Вершина карьера 0,830,05 44,013,66 2,200,38 172,56,Склон карьера 0,080,03 36,010,07 1,270,07 200,03,Карьер глиногипса Ленинский Северная часть карьера 0,570,01 49,04,04 2,600,20 200,011,Южная часть карьера 0,500,02 38,01,15 3,130,07 158,34,Западная часть карьера 0,490,02 38,71,76 4,000,12 171,74,Восточная часть карьера 0,700,02 37,31,33 4,400,20 125,05,Фон** 1,50 3,9 9,0 3*- фоновая территория Ики-Бурульского р-на, **- фоновая территория Целинного р-на Особенности распределения тяжелых металлов в почвогрунтах карьеров.
ТМ находятся в почве в виде различных химических соединений. Знание количественного и качественного состава ТМ в почвах необходимо для решения различных вопросов научного и практического значения. Элементный состав почвообразующих пород передается формирующимся на них почвам (Соколов и др., 1999). В качестве фоновых концентраций химических элементов были взяты средневзвешенные содержания элемента в относительно стабильных природных компонентах (почве и растениях). Информация, основана на результатах локального мониторинга реперных участков ФГБУ Станция агрохимической службы Калмыцкая.
В карьерах песка Аршанский на содержание ТМ оказало влияние длительность эксплуатации и возраст отвалов карьера. В старом карьере песка в сравнении с новым карьером наблюдалось увеличение уровня ТМ. Возможно, это связано с формированием почвенного слоя, выносом на поверхность подстилающих пород. В старом карьере имелось превышение ПДК по Co (в 1,раза) и As (в 2,2 раза). В новом карьере превышения ПДК по ТМ нет.
Для карьеров известняка длительность эксплуатации на содержание ТМ не влияли, содержание их в карьерах Зунда-Толга (не действующий) и ЧолунХамур (действующий) находилось на одном уровне. Установлено превышение ПДК для Cd и Co.
В почвогрунтах карьера глиногипса Ленинский отмечено небольшое превышение ПДК для Со (рис. 2).
Таблица Среднее содержание тяжелых металлов в почвогрунтах карьеров РК, мг/кг воздушно-сухой почвы Карьеры Элемент Фон* ПДК известняка песка глиногипса (ОДК) Зунда- Чолун- Аршанский Аршанский Ленинский Толга Хамур (старый) (новый) Zn 46,6 110,0 34,501,32 41,804,72 20,002,17 6,200,65 9,901,Cu 16,5 55,0 13,320,56 12,601,90 9,901,07 2,500,73 3,400,Cd 0,45 1,00 1,190,07 0,980,07 0,330,03 0,080,02 0,580,Pb 12,5 32,0 16,960,88 16,400,69 7,800,62 2,800,36 8,900,Mn 332 1500 169,010,9 167,511,1 208,812,6 53,38,3 90,51,Co 10,9 5,0 10,550,23 10,900,28 5,800,62 1,630,54 5,050,Ni 29,0 85,0 26,400,96 22,300,76 18,901,98 5,301,01 3,900,Cr 18,7 100,0 34,602,09 30,702,34 19,401,93 8,901,45 41,504,As 7,55 2,00 не опр. не опр. 4,310,26 1,570,42 0,290,0,012 2,100 не опр. не опр. 0,0060 0,0080 0,013Hg *-среднее по двум районам (Целинный, Ики-Бурульский) Характер вертикального распределения ТМ проявляется в накоплении токсикантов в верхнем гумусовом горизонте почвы и постепенном снижении их содержания с глубиной. Наши исследования показали, что в этом горизонте находится основная масса ТМ (Zn, Cu, Pb).
Для выявления особенностей распределения ТМ в почвогрунтах карьеров был использован метод геохимических спектров, построенных по кларкам концентрации (или рассеивания) элементов. Коэффициент регионального концентрирования (Ккр) представляет собой отношение среднего содержания элемента в почвогрунтах карьеров к его фону по РК. Он позволяет выявить провинциальные различия по содержанию химических элементов.
Региональные фоновые концентрации получены при изучении состава почв и пород РК (Сангаджиева, 2004).
На основе проведенного анализа аккумуляции ТМ в почвогрунтах карьеров выявлена их эколого-геохимическая специализация. В сравнении с кларком литосферы (по Виноградову) во всех изученных карьерах отмечено эколого-геохимическая специализация по Cd.
В сравнении с региональным кларком в карьерах известняка отмечено высокое накопление - Zn, Cd, Ni, в карьере песка - Zn, Cd, Mn, Ni, As, в карьере глиногипса - Cd.
Таким образом, элементами-доминантами в почвогрунтах карьеров являлись Cd, Zn и Ni. Для остальных элементов (Pb, Со и Cr) свойственно рассеяние (Кк=0,05Ц0,66) (рис. 2).
11,10,б 10,9,а 9,8,8,7,7,6,6,5,5,4,4,3,3,2,2,1,1,0,Zn Cu Cd Pb Mn Co Ni Cr 0,Zn Cu Cd Pb Mn Co Ni Cr Ккр Кк Ккр Кк 3,0 6,в г 5,2,4,2,3,1,2,1,1,0,0,0,Zn Cu Cd Pb Mn Co Ni Cr As Zn Cu Cd Pb Mn Co Ni Cr As Ккр Кк Ккр Кк Рис. 2. Геохимические спектры ТМ в почвогрунтах карьеров известняка Зунда-Толга (а), Чолун-Хамур (б), песка Аршанский (в) и глиногипса Ленинский (г): ККРЦ к региональному кларку, КК - к кларку литосферы По сравнению с фоновыми концентрациями для почв районов исследования вычислен коэффициент фонового концентрирования (ККФ).
Выявлено, что выше фона в карьерах известняка - Cd, Pb, Cr, в карьере глиногипса - Cd, Cr, Hg. В карьерах песка Аршанский превышение фоновой концентрации отмечено для Cd (табл. 3).
Таблица Коэффициент фонового концентрирования ТМ (Ккф) и суммарный показатель загрязнения (Zc) карьеров Карьеры известняка Карьер глиногипса Карьер песка Ккф Cd Kкф Cr Kкф Pb Zc Ккф Cd Kк Cr Kкф Hg Zc Ккф Cd 3,2 2,2 1,6 5,0 1,3 2,2 1,1 2,6 1,Эта особенность почвогрунтов карьера обусловлена наличием сорбционного барьера, за счет которого сформировались локальные очаги техногенного загрязнения ТМ, однако суммарный показатель загрязнения валовыми формами ТМ в карьерах соответствует допустимой категории загрязнения почв (Z<16) по Ю.Е. Саету (1990).
Кк Кк Кк Кк Глава 4. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА КАРЬЕРОВ При устройстве территории карьеров растительность большей частью была уничтожена и в настоящее время здесь сформировались сообщества синантропных видов растений. Частью современного процесса синантропизации растительного покрова планеты является деградация растительных сообществ, которая сопровождается упрощением флористического состава и структуры, уменьшением разнообразия, нарушением стабильности, снижением продуктивности (Горчаковский, 1979, 1999; Абрамова, Миркин, 2000).
Характерной чертой растительности карьера Зунда-Толга является ее мозаичность, как следствие неоднородности и невыровненности почвогрунтов.
Растительность карьера характеризована низкими ОПП от 10 до 30% и видовым разнообразием (3Ц15 видов). Внешне травостой несет в себе черты нарушенной полупустынной степи, о чем свидетельствовали виды вторичного, явно сорного и полусорного типа, с заметным обилием компонентов-антропофитов.
Наибольшую встречаемость имели шалфей эфиопский (Salvia aethiopis), полынь австрийская (Artemisia austriaca), татарник колючий (Onopordum acanthium), синеголовник плоский (Eryngium planum), желтушник серый (Erysimum canescens), которые в основном произрастающие вокруг карьера. На дне карьера встречались чабрец Маршалла (Thymus Мarschallianus), дурнишник обыкновенный (Xanthium strumarium). Доминирование многолетних сорных растений свидетельствовало об одной из поздних стадий восстановительной сукцессии.
На отвалах карьера Чoлун-Хамур доминировала разнотравносолончаковополынная ассоциация, в которой ОПП достигало 50Ц60%.
Флористический состав - 15 видов, из них монокарпики - 5 видов (донник белый (Melilotus albus), клоповник сорный (Cardaria ruderale), лебеда татарская (Atriplex tatarica) и др.). Обилие монокарпиков указывало на несформированность растительного сообщества. Индикатором засоления почвогрунтов и почвообразующих пород являлись доминанты сообщества - полынь солончаковая (Artemisia monogyna) и тамарикс раскидистый (Tamarix laxa).
Карьер песка Аршанский характеризуется легким гранулометрическим составом почвогрунтов, индикатором которого являлась песчанополынкоразнотравная ассоциация. Она приурочена к днищу карьера и в период исследования имела довольно густой травостой (ОПП 65%), разнообразный видовой состав (20 видов), из которых монокарпики представлены 10 видами.
Зональная растительность вокруг карьера - белополынно-типчаково-ковыльная, однако под влиянием карьера сформировалась разнотравно-костровая ассоциация, доминантом которой являлся эфемер - костер кровельный (Bromus tectorum).
Видовое богатство растительности на территории карьера глиногипса Ленинский низкое - 4Ц10 (в среднем 7,3) видов на 100 м2. Сравнение растительности отвального комплекса с растительностью прилегающих ландшафтов показало, что большинство рудеральных видов не могут заселить токсичный глиногипсовый субстрат. На карьере доминировала кермековосолеросово-сарсазановая ассоциация. Значительную долю данной ассоциации составляли галофиты: сарсазан шишковатый (Halocnеmum strobilаceum), кермек Гмелина (Limonium gmelini), лебеда стебельчатая (Atriplex pedunculata), полынь таврическая (Artemisia taurica). ОПП травостоя около 55% с доминированием солероса европейского (Salicоrnia europaеa). Кустарниковый ярус отсутствовал.
Данные растения отличались повышенной солеустойчивостью, что характерно для сообществ, сформировавшихся в зоне повышенного засоления.
Доминирующие в растительном сообществе солерос европейский и сарсазан шишковатый представляли собой виды наиболее адаптированные к экологическим условиям глиногипсового субстрата (значительная освещенность, высокая минерализация).
Видовой состав исследованных карьеров характеризуется высоким своеобразием: коэффициент флористической общности растительных сообществ Жаккара, произрастающих в пределах изученных карьеров, составил 3Ц18%, свидетельствовал об их несформированности и принадлежности к различным типам растительности. Для каждого карьера характерен свой специфический набор видов растений, отражающий экологические условия местообитания. Индикаторами засоленного луга (карьер Чолун-Хамур) являлись полынь солончаковая и тамарикс раскидистый; песчаной степи (карьер Аршанский) - тысячелистник Гербера (Achillea Gerbera), полынь песчаная (Artemisia arenaria); галофитной пустыни (карьер глиногипса) - солерос европейский и сарсазан шишковатый; остепненного луга (карьер Зунда-Толга) - чабрец Маршалла и шалфей эфиопский.
Наибольшее содержание азота отмечено в растениях, отобранных на территории карьера Чолун-Хамур: астрагал датский (Astragalus danicus) (7,41%), донник белый (5,00), гармала обыкновенная (Pegаnum harmala) (5,00).
Содержание фосфора в фоновой растительности выше растений карьеров известняка. Однако, отмечено некоторое накопление фосфора в растениях карьера Зунда-Толга: шалфея эфиопского (0,27%), татарника колючего (Onopordum acanthium) (0,24), молочая Сегиеров (Euphorbia seguieriana) (0,23), дурнишника обыкновенного (0,22) (рис. 3).
20,15,% 10,5,0,Дурнишник Желтушник Молочай Полынь Синеголов- Татарник Тамарикс Тысячелист- Чабрец Шалфей обыкновенн серый Сегиеров австрийская ник плоский колючий раскидистый ник Маршала эфиопский 16,40 5,90 7,00 14,50 9,70 7,70 14,20 7,90 13,90 12,зола, % 2,60 1,88 2,05 2,05 1,45 2,28 2,03 1,35 1,05 2,N,% 3,87 1,91 2,29 2,21 2,23 2,21 0,93 1,91 1,57 3,K,% 0,22 0,06 0,23 0,14 0,19 0,24 0,18 0,08 0,10 0,P, % Рис. 3. Химический состав растений карьера известняка Зунда-Толга Особенность карьеров известняка - это высокая зольность и накопление кальция в растениях. На территории карьера песка азот накапливали клевер пашенный (Trifolium arvense) (5,50%), дурнишник обыкновенный (3,75), сирения сидячецветковая (Syrenia sessiliflora) (3,75), ситник раскидистый (Juncus effuses) (2,78), молочай Сегиеров (2,70). Богаты фосфором подорожник большой (Plantago major) (0,90%), ковыль Лессинга (Stipa lessingiаna) (0,80), клоповник крупковидный (Lepidium draba) (0,37), волоснец песчаный (Leymus arenarius) (0,25), ситник раскидистый (Juncus effusus) (0,25). Обеднены фосфором цмин песчаный (Helichrysum arenarium) (0,02%), сухоцвет однолетний (Xeranthemum annuum) (0,06), желтушник серый (Erysimum canescens) (0,07).
В карьере глиногипса отмечено некоторое накопление фосфора в растениях полыни белой (0,24%) и п. таврической (0,20%). Калий в растениях находился в достаточном количестве. Высокая зольность отмечена для сарсазана шишковатого (30,6%), кермека Гмелина (19,8), полыни таврической (18,4), солероса европейского (14,3). Это можно объяснить их видовыми особенностями, так как данные растения приспособлены к произрастанию на засоленных почвах и накоплению солей.
Видовой состав растительности оказывает большое влияние на биохимические показатели. По количеству жира выстраивается убывающий ряд растений карьеров: Зунда-Толга > Ленинский > Аршанский> 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 3,60Ц7,05%. 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 18,0Ц34,5%, 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).
Кк 3,а 2,Cu 1,Mn Pb 0,Cd Кк б 2,Cu Zn 1,Pb 0,Cd Рис. 4. Биогеохимические спектры распределения ТМ в фитомассе растений карьеров известняка Зунда-Толга (а) и песка Аршанский (б) по отношению к кларку литосферы 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).
лозный Чабрец серый Молочай (центр) Молочай колючий Сегиеров Татарник Шалфей Маршала Полынь эфиопский плоский Тамарикс Василек Желтушник австрийская Мордовник раскидистый Дурнишник шароголовый Синеголовник узколистный обыкновенный Тысячелистник расставленный Ковыль Полынь песчаная серый Лессинга Молочай Сегиеров Ситник Василек Сухоцвет большой песчаный однолетний Гербера Желтушник Сирения Клоповник Подорожник Подорожник скабиозовый раскидистый Дурнишник крупковидный обыкновенный Тысячелистник сидячецветковая 6,5,4,3,2,1,0,Бескильница Лебеда Полынь Сарсазан Солерос Кермек Кермек расстав- Полынь белая стебельчатая таврическая шишковатый европейский каспийский Гмелина ленная 0,76 1,00 0,53 0,68 0,44 1,32 0,94 1,Cu 0,98 0,57 0,86 0,30 0,33 0,60 0,36 0,Zn 2,93 2,93 1,23 1,43 4,95 2,42 1,98 2,Mn 0,67 0,64 0,26 0,48 0,48 1,07 0,48 0,Ni 0,56 0,23 0,18 0,34 0,51 0,28 0,18 0,Pb 1,28 0,41 0,17 0,67 0,83 0,33 0,21 0,Cd Рис. 5. Коэффициенты биологического поглощения ТМ растениями карьера глиногипса Ленинский 2,2,1,1,0,0,Дурнишник Подорож- Сирения Ситник ТысячелистКовыль Молочай Полынь Сухоцвет обыкнове- ник сидячецвет- раскидис- ник Лессинга Сегиеров песчаная однолетний нный песчаный ковая тый Гербера 0,95 0,34 0,18 0,80 0,77 0,49 0,60 1,05 0,Cu 1,17 0,54 0,23 0,92 0,42 0,93 2,18 1,20 1,Zn 0,28 0,14 0,22 0,22 1,92 1,31 0,28 0,19 0,Mn 0,34 0,08 0,29 0,11 0,32 0,11 0,29 0,13 0,Pb 0,97 0,55 0,42 0,42 0,82 0,33 1,00 0,48 0,Cd Рис. 6. Коэффициенты биологического поглощения ТМ растениями карьера песка Аршанский 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:
Ц Маревые (Chenopodiaceae);
Ц Зонтичные (Umbelliferae).
2) не накапливающие ТМ:
Ц Подорожниковые (Plantaginaceae);
Ц Бобовые (Fabaceae);
Ц Злаки (Poaceae).
КБП КБП 3) характеризующиеся широкой амплитудой накопления ТМ:
Ц Сложноцветные (Astеraceae);
Ц 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 корреляционная связь (p<0,05), которая изменяется от слабой (r=0,25Ц0,44) для Mn, Pb, Co, Cd до сильной (r=0,95Ц0,97) для Zn и Ni (рис. 4).
Таблица Схема дифференциации ТМ по значениям коэффициента биологического поглощения в зоне влияния карьеров Элементы Элементы биологического биологического накопления захвата Вид растения сильного слабого накопления и слабого захвата накопления среднего захвата 0,1Ц0,10Ц1 1Ц0,Карьер известняка Зунда-Толга Mn Cu, Zn, Pb, Сd Fe, Ni, Со Полынь австрийская Mn Cu, Zn, Pb, Сd, Со, Ni Fe Дурнишник обыкновенный Mn Cu, Zn, Pb, Со Fe, Ni Синеголовник плоский Карьер известняка Чолун-Хамур Mn Cu, Zn, Pb, Сd, Со Fe, Ni Тысячелистник Гербера Zn Mn, Cu, Ni, Сd, Pb Со Клоповник сорный - Zn, Pb, Ni, Mn, Cu, Сd Со Донник белый Сd Zn, Mn, Ni, Cu, Со, Pb - Лебеда татарская Карьер песка Аршанский - Zn, Cu, Mn, Сd Ni, Pb, Со Ковыль Лессинга Молочай лозный - Mn, Cu, Zn, Pb, Сd, Со Ni Ситник раскидистый Zn, Сd Mn, Cu, Pb, Со, Ni - Карьер глиногипса Ленинский Кермек каспийский Mn, Cu, Ni Zn, Pb, Сd, Со - Кермек Гмелина Zn, Mn Cu, Ni, Сd, Pb, Со - Лебеда стебельчатая Mn, Сd Zn, Ni, Cu, Со, Pb - Полученные результаты свидетельствовали о том, что положение большинства ТМ в группах биологического поглощения совпадает с ранее установленным (Перельман, 1975), но есть и свои особенности. Так, согласно шкале А.И. Перельмана, Cd и Co относятся к группе слабого биологического захвата, а их коэффициенты поглощения находились в пределах 0,nЦ0,00n. В нашем случае Cd принадлежит к группе сильного накопления (карьеры песка и глиногипса) и среднего биологического захвата (карьеры известняка). В то же время полученные нами результаты согласуются с представлениями А. КабатаПендиас (1989) о Cd как элементе, активно накапливаемом большинством видов растений.
Изученные растения карьеров были объединены в экологические группы:
мезофиты, ксерофиты, галофиты и псаммофиты. В зависимости от местообитания содержание ТМ в растениях разных экологических групп различается (рис. 7).
14 А Б 12 10 Cu Zn Pb Ni Cd Co Cu Zn Pb Ni Cd Co Мезофиты Ксерофиты Мезофиты Ксерофиты Галофиты Псаммофиты Галофиты Псаммофиты В Г Cu Zn Pb Ni Cd Co Cu Zn Pb Ni Cd Co Мезофиты Ксерофиты Ксерофиты Галофиты Галофиты Псаммофиты Рис. 7. Уровни содержания тяжелых металлов в экологических группах растений карьеров известняка Зунда-Толга (А) и Чолун-Хамур (Б), карьеров песка Аршанский (В) и глиногипса Ленинский (Г) В карьере песка более устойчивые к загрязнению псаммофиты, в карьере известняка - мезофиты и ксерофиты. Галофиты выделяются среди других экологических групп по накоплению ТМ, содержание которых выше, чем у ксерофитов и мезофитов.
Установленные в результате исследований закономерности и выявленная селективная способность растений карьеров к накоплению ТМ имеет практическую значимость, поскольку они позволяют спланировать оптимальное размещение растений в зоне воздействия карьеров открытой добычи строительных материалов, что позволит провести реабилитацию загрязненных ТМ земель посредством выращивания растений-накопителей элементов с последующим отчуждением полученной биомассы. Для биоремедиации почв в зонах с наиболее сильным загрязнением предлагается мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг использование следующих видов дикорастущих травянистых растений: полынь австрийская, дурнишник обыкновенный, кермек Гмелина, лебеда стебельчатая, которые, наряду со значительным накоплением металлов, формируют большую фитомассу.
ВЫВОДЫ 1. В почвах карьеров действуют механизмы, приводящие к трансформации техногенных потоков ТМ. Основными факторами процессов являются свойства почв и природа ТМ. В отличие от зональных почв они обеднены органическим веществом, подвижными формами питательных элементов и засолены.
2. Выявлена эколого-геохимическая специализация ТМ, особенностью которой является преимущественное и высокое накопление в почвогрунтах карьеров Zn, Cd, Ni. Для остальных элементов свойственно рассеяние. В почвогрунтах карьеров известняка идет более активная аккумуляция ТМ, чем в карьерах песка и глиногипса. Превышение фоновой концентрации по Cd, Pb, Cr в 1,1Ц3,2 раза. Суммарный показатель загрязнения ТМ в карьерах соответствует допустимой категории загрязнения почв.
3. Наибольшее видовое разнообразие присуще техногенным местообитаниям карьеров песка и известняка, что определяется богатством местной флоры и характером субстрата. Флористическое разнообразие растительности техногенных местообитаний карьера глиногипса значительно ниже, что связано с эдафическими условиями (низкое содержание гумуса и фосфора, засоление).
4. Растения карьеров наиболее активно накапливали Zn, Mn, Pb, Cd, в меньшей степени - Ni и Сu. Особенности загрязнения растений ТМ в целом повторяет пространственную структуру и специфичность почвогрунтов.
5. В зонах влияния карьеров целесообразно проведение рекультивации с использованием приемов фиторемедиации для снижения негативного воздействия на компоненты экосистем. Для предварительного очищения и стабилизации почв в качестве растений-аккумуляторов можно применять аборигенные виды: полынь австрийскую, дурнишник обыкновенный, кермек Гмелина и лебеду стебельчатую, с последующим их скашиванием и утилизацией.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ * - публикации в печатном издании, рекомендованном перечнем ВАК РФ 1. Бадмаева З.Б., Сангаджиева О.С., Кибенко Е.А., Цомбуева Б.В., Гаряева О.В.
Биогеохимическая миграция элементов в аридных экосистемах // Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Перспектива-2009.
Нальчик, 2009. - С. 62Ц65.
2. *Бадмаева З.Б., Cангаджиева Л.Х., Даваева Ц.Д. Эколого-геохимическая характеристика карьера Зунда-Толга // Научная мысль Кавказа. Ростов-на-Дону, 2010. - № 4.
Ц Ч. 2. - С. 96Ц101.
3. *Бадмаева З.Б., Cангаджиева Л.Х., Cангаджиева О.С., Даваева Ц.Д., Ходыков В.П.
Цомбуева Б.В. Тяжелые металлы в компонентах ландшафтов Калмыкии // Юг России:
экология, развитие. Изд-во Даг. ГУ. Махачкала, 2010. - №1. - С.155Ц161.
4. Сангаджиева Л.Х.., Бадмаева З.Б., Кикильдеев Л.Е., Уланова Е.В. Эколого-биохимические особенности растительности на известняковых месторождениях Калмыкии // Беккеровские чтения: 1 междун. научно-практ. конф. Волг.ГУ. Волгоград, 2010. - С.199Ц200.
5. Бадмаева З.Б., Сангаджиева Л.Х., Сангаджиева О.С. Известняки в полнорационных комбинированных кормах для сельскохозяйственной птицы // Сб. науч. тр. междун. научнопрактич. конф.: Актуальные проблемы производства и переработки продукции живот-ва.
Карачаево-Черкесский ГТА. Ставрополь, 2010. - С. 298Ц299.
6. Cангаджиева Л.Х., Даваева Ц.Д., Бадмаева З.Б., Уланова Е.В. Содержание бора в почвах солонцовых комплексов северо-западного Прикаспия // Проблемы сохранения и рац.
использования биоразнообразия Прикаспия и сопредельных регионов.7 межд. научно-практ.
конф. Элиста: КалмГУ, 2010. - С.59Ц62.
7. Бадмаева З.Б., Даваева Ц.Д., Сангаджиева О.С., Шамадыкова Д.Э. Оценка экотоксикологических аспектов поведения тяжелых металлов в почвах Калмыкии // Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК. Материалы всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых. Астрахань, 2011. - С. 112Ц115.
8. Бадмаева З.Б., Даваева Ц.Д., Сангаджиева О.С., Булуктаев А.А. Экологический мониторинг сельскохозяйственного фонда республики Калмыкия // Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК. Материалы 7 всероссийской науч.
конференции студентов и молодых ученых. Астрахань, 2011. - С. 115Ц120.
9. Бадмаева З.Б., Шамадыкова Д.Э., Цомбуева Б.В., Гаряева О.В., Сангаджиева Л.Х., Сангаджиева О.С. Изменение элементов в растениях при техногенном загрязнении // Фундаментальные и прикладные проблемы получения новых материалов: исследования, инновации и технологии: материалы V Межд. научно-практич. конференции. Астрахань, 2011. - С. 185Ц189.
10. Бадмаева З.Б., Менглинова А.Б., Ностаева Т.Н. Экологическая оценка содержания микроэлементов в природных водах Ергеней и сопредельных территорий // Исследования молодых ученых в биологии и экологии: сб. науч. тр. Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 2011. - Вып. 9. - С. 66Ц70.
11. Бадмаева З.Б., Сангаджиева Л.Х. Изучение техногенного влияния карьера силикатного песка на почвенно-растительный покров // Естественные науки. Изд-во Астраханский университет, 2012. - №1. - С. 23 - 29.