Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка почвенного и растительного покрова карьеров Республики Калмыкия

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка почвенного и растительного покрова карьеров Республики Калмыкия"

На правах рукописи

Бадмаева Зула Борисовна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА КАРЬЕРОВ РЕСПУБЛИКИ КАЛМЫКИЯ

03.02.08-экология ШОЛОПЯ)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 5 уд? Ж\1

Саратов-2012

005013526

005013526

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» (г. Астрахань)

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: 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 « 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 почвенно-растительного 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 научно-практической 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, Заволжско-Казахстанской 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, Чолун-Хамур), песка - Аршанский и глиногипса - Ленинский. Отобрано и проанализировано 520 образцов, в том числе 360 почвенных и 160 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 700 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 (Ы, Р, К, Са, 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 11 ТМ в валовой форме: Ре, Мп, Ъп, Си, Со, Сг, Аб, РЬ, Сё. Такие

макроэлементы, как N. Р, К 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, атомно-абсорбционная спектрофотометр™, 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 (Кк), суммарный показатель загрязнения (2с), 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 сульфатно-хлоридный 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 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 1,7 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 (101-200 мг/кг) и средним (201-300 мг/кг) содержанием.

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 1

Особенности химического состава почвогрунтов карьеров_

Место отбора Гумус, % N-N03, мг/кг Р2О5, мг/кг КгО, мг/кг

Карьер известняка Зунда-Толга

Край карьера 0,41±0,08 37,6±1,27 6,3±0,92 298,8±7,43

Дно карьера 0,13±0,01 44,5*2,06 7,4±1,17 302,5±7,50

Карьер известняка Чолун-Хамто

Край карьера 0,31±0,14 98,0±0,00 3,6±0,69 305,0± 18,03

Дно карьера 0,65±0,20 98,0±0,00 7,4±1Д5 256,3±10,68

Поселок 1,99±0,27 101,0*7,03 14,8±2,11 172,9±3,80

Фон* 1,10 4,6 16,0 350

Старый карьер песка Аршанский

Вершина карьера 1Д6±0,18 38,0±17,15 7,2±1,04 122,0±5,22

Склон карьера 0,53±0,12 7,6±1,03 6,1±ив 123,0±4,78

Поселок 1,80±0,34 37,9±9,70 6,3±0,82 179,4±6,30

Новый карьер песка

Вершина карьера 0,83±0,05 44,0±13,66 2,20±0,38 172,5±6,52

Склон карьера 0,08±0,03 36,0±10,07 1,27±0,07 200,0±3,55

Карьер глиногипса Ленинский

Северная часть карьера 0,57±0,01 49,0±4,04 2,60±ОДО 200,0±11,55

Южная часть карьера 0,50±0,02 38,0±1,15 3,13±0,07 158,3±4,41

Западная часть карьера 0,49±0,02 38,7±1,76 4,00±0,12 171,7±4,41

Восточная часть карьера 0,70±0,02 37,3±1,33 4,40*0,20 125,0±5,00

Фон** 1,50 3,9 9,0 360

*- 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 Со (в 1,2 раза) и Ав (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 Чолун-Хамур (действующий) находилось на одном уровне. Установлено превышение пдк для са и Со.

В почвогрунтах карьера глиногипса Ленинский отмечено небольшое превышение ПДК для Со (рис. 2).

Таблица 2

Среднее содержание тяжелых металлов в почвогрунтах карьеров РК,

мг/кг воздушно-сухой почвы

Карьеры

Элемент Фон* ПДК известняка песка глиногипса

(ОДК) Зунда-Толга Чолун-Хамур Аршанскнй (старый) Аршанскнй (новый) Ленинский

7лі 46,6 110,0 34,50±1,32 41,80±4,72 20,00±2,17 6,20±0,65 9,90±1Д4

Си 16,5 55,0 13,32±0,56 12,60±1,90 9,90±1,07 2,50±0,73 3,40±0,49

са 0,45 1,00 1,19±0,07 0,98±0,07 0,33±0,03 0,08±0,02 0,58±0,бб

РЬ 12,5 32,0 16,96±0,88 16,40±0,69 7,80±0,62 2,80±0,36 8,90±0,33

Мп 332 1500 169,0±10,9 167,5±11,1 208,8±12,6 53,3±8,3 90,5±1,7

Со 10,9 5,0 10,55±0,23 10,90±0,28 5,80±0,62 1,63±0,54 5,05±0,43

№ 29,0 85,0 26,40±0,96 22,30±0,76 18,90±1,98 5,30±1,01 3,90±0,70

Сг 18,7 100,0 34,60±2,09 30,70±2,34 19,40±1,93 8,90±1,45 41,50±4,93

Ая 7,55 2,00 не опр. не опр. 4,31±0,26 1,57±0,42 0,29±0,09

НЕ 0,012 2,100 неопр. не опр. 0,006±0 0,008±0 0,013±0

♦-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 (7п, Си, РЬ).

Для выявления особенностей распределения ТМ в почвогрунтах карьеров был использован метод геохимических спектров, построенных по кларкам концентрации (или рассеивания) элементов. Коэффициент регионального концентрирования (К,ф) 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 С<1.

В сравнении с региональным кларком в карьерах известняка отмечено высокое накопление - Ъп, С<1, N1, в карьере песка - Ъл, Сё, Мп, №, Ав, в карьере глиногипса - Сс1.

Таким образом, элементами-доминантами в почвогрунтах карьеров являлись С<1, Ъа и N1 Для остальных элементов (РЬ, Со и Сг) свойственно рассеяние (Кк=0,05-0,б6) (рис. 2).

-Кир ■

Рис. 2. Геохимические спектры ТМ в почвогрунтах карьеров известняка Зунда-Толга (а), Чолун-Хамур (б), песка Аршанский (в) и глиногипса Ленинский (г): Ккр- 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 - С<1, РЬ, Сг, в карьере глиногипса - Сё, Сг, В карьерах песка Аршанский превышение фоновой концентрации отмечено для Сё (табл. 3).

Таблица 3

Коэффициент фонового концентрирования ТМ (Ккф) и

Карьеры известняка Карьер глиногипса Карьер песка

Ккф Ккф Ккф Ъс Ккф" Кк и Ккф"8 7л Ккф ы

3,2 2,2 1,6 5,0 1,3 2,2 1,1 2,6 1,29

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 (г<16) по Ю.Е. Саету (1990).

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 планегы 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 (3-15 видов). Внешне травостой несет в себе черты нарушенной полупустынной степи, о чем свидетельствовали виды вторичного, явно сорного и «полусорного» типа, с заметным обилием компоненгов-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 Marschallianus), дурнишник обыкновенный (Xanthium strumarium). Доминирование многолетних сорных растений свидетельствовало об одной из поздних стадий восстановительной сукцессии.

На отвалах карьера Чолун-Хамур доминировала разнотравно-солончаковополынная ассоциация, в которой ОПП достигало 50-60%. Флористический состав - 15 видов, из них монокарпики - 5 видов (донник белый (Melilotus albus), клоповник сорный (Cardaría ruderale), лебеда татарская (Atriplex tataricá) 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 песчанополынко-разнотравная 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 - 4-10 (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 кермек0Б0-солеросово-сарсазановая ассоциация. Значительную долю данной ассоциации составляли галофиты: сарсазан шишковатый (Halocnemum strobilaceum), кермек Гмелина (Limonium gmelini), лебеда стебельчатая (Atriplex pedunculata), полынь таврическая (Artemisia taurica). ОПП травостоя около 55% с доминированием солероса европейского (Salicornia europaea). 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 3-18%, 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 (Peganum hctrmala) (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).

Дуртшшик Жслтуцшик Молочай Полынь Синеголов- Татарник Тамар нки Тысячелист- Чабрец Шалфей

обыкновснм серый Сегиеров австрийская ник плоский колючий раскидистый ник М. «ршала эфиопский

■ зола, % 16,40 5,90 7.00 14,50 9.70 7.70 14,20 7,90 13,90 12,60

■ N 2,60 1,88 2,05 2.05 1.45 22% 2,03 US 1.05 2,05

3,87 1.91 2,29 2 Л 2,23 2Д1 0,93 1.91 1.57 3,10

ор,% 0,22 0,06 одз 0,14 0.19 0Д4 0,18 0.08 0,10 ОДО

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 sessiüßorä) (3,75), ситник раскидистый (Juncus effuses) (2,78), молочай Сегиеров (2,70). Богаты фосфором подорожник большой (Plantago major) (0,90%), ковыль Лессинга (Stipa lessingiana) (0,80), клоповник крупковидный (Lepidium drabä) (0,37), волоснец песчаный (Leymus arenarius) (0,25), ситник раскидистый (Juncus effusus) (0,25). Обеднены фосфором цмин песчаный {Heiichrysum arenarium) (0,02%), сухоцвет однолетний (Xeranthemum аппиит) (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 3,60-7,05%. 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 Мп, 7,п и Сё 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 Сё, Мп, '¿п. 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 Си и N1 (рис. 4).

Кк з

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).

6,0 5,0 4,0 ¡Í3,o

ас

2.0 1,0 0,0

■ Zn В Мп Bn¡ Шрь Dcd

Лебеда стебельчатая

Полынь таврическая

Беек ильница расставленная 0,53

Сарсазан шишковатый

Солерос европейский

Кермек каспийский

0,60

Кермек Гмелина

Полынь белая

Рис. 5. Коэффициенты биологического поглощения ТМ _растениями карьера глиногипса Ленинский_

ДУРНИШНИК обыкновенный Ковыль Лессинга Молочай Сегиеров Подорожник песчаный Полынь песчаная Сирения сидячецвет-ковая Ситник раскидистый Сухоцвет однолетний Тысячелистник Гербера

■ cu 0,95 0.34 0,18 0,80 0,77 0,49 0,60 1,05 0,60

■ Zn 1,17 0,54 0.23 0,92 0,42 0,93 2,18 1,20 1,40

BMn 0,28 0,14 0,22 0,22 1,92 1,31 0,28 0,19 0,92

ВРЬ 0,34 0,08 0,29 0,11 0,32 0,11 0,29 0,13 0,11

Ocd 0,97 0,55 0,42 0,42 0,82 0,33 1,00 0,48 0,30

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:

- Маревые (СИепоройгасеае)',

- Зонтичные ((.¡тЬеПі/егае).

2) не накапливающие ТМ:

- Подорожниковые (Plantaginaceae);

- Бобовые (ГаЬасеае);

- Злаки (Роасеае).

3) характеризующиеся широкой амплитудой накопления ТМ:

- Сложноцветные {Astera.cea.ey,

- Крестоцветные (Игаык-асеае).

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 Мп, 7л и №. Можно отметить, что между содержанием ТМ в растениях и их валовым количеством в почвах существует прямая корреляционная связь (р<0,05), которая изменяется от слабой (г=0,25-0,44) для Мп, РЬ, Со, Сс1 до сильной (>--0,95-0,97) для 7п и N1 (рис. 4).

Таблица 4

Схема дифференциации Тм по значениям коэффициента биологического _поглощения в зоне влияния карьеров____

Вид растения Элементы биологического накопления Элементы биологического захвата

сильного накопления 10-1 слабого накопления и среднего захвата 1-0,1 слабого захвата 0,1-0,01

Карьер известняка Зунда-Толга

Полынь австрийская Ми Си, 7п, рь, са Ре, №, Со

Дурнишник обыкновенный Мп Си, 2п, РЬ, Сё, Со, № Ре

Синеголовник плоский Мп Си, 2л, РЬ, Со Ре, №

Карьер известняка Чолун-Хамур

Тысячелистник Гербера Мп Си, 2п, РЬ, С4 Со Ре, №

Клоповник сорный 7л Мп, Си, №, са, РЬ Со

Донник белый - 2п, РЬ, №, Мп, Си, са Со

Лебеда татарская са Ъъ, Мп, №, Си, Со, РЬ -

Карьер песка Аршанский

Ковыль Лессинга - 7л, Си, Мп, са №, РЬ, Со

Молочай лозный - Мп, Си, 7л, РЬ, са, Со №

Ситник раскидистый гп,сй Мп, Си, РЬ, Со, № -

Карьер глшо гипса Ленинский

Кермек каспийский Мп, Си, № 7.п, рь, са, Со -

Кермек Гмелина 2п, Мп Си, №, са, РЬ, Со -

Лебеда стебельчатая Мп, са 2л, №, Си, Со, РЬ -

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, Сс1 и Со относятся к группе слабого биологического захвата, а их коэффициенты поглощения находились в пределах 0,п-0,00п. В нашем случае Сс1 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. Кабата-Пендиас (1989) о Сс! как элементе, активно накапливаемом большинством видов растений.

Изученные растения карьеров были объединены в экологические группы: мезофиты, ксерофиты, галофи ты и псаммофита. В зависимости от местообитания содержание ТМ в растениях разных экологических групп различается (рис. 7)._

-Мезофиты -Галофуттъ)

- Ксерофиты

- Псаммофиты

-♦ Мезофиты ®— Ксерофиты

А Галофиты —•—Псаммофиты

Си 2п РЬ № Са Со -Ксерофиты Галофиты

Е

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

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 Хп, С<1, Ж Для остальных элементов свойственно рассеяние. В почвогрунтах карьеров известняка идет более активная аккумуляция ТМ, чем в карьерах песка и глиногипса. Превышение фоновой концентрации по Сё, РЬ, Сг в 1,1-3,2 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 Ъп, Мп, РЬ, Сс1, в меньшей степени - N1 и Си. 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., Кибеико 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. 62-65.

2. *Бадмаева З.Б., Сангаджиева Л.Х., Даваева Ц.Д. Эколого-геохимическая характеристика карьера Зунда-Толга // Научная мысль Кавказа. Ростов-на-Дону, 2010. - № 4. -Ч. 2.-С. 96-101.

3. »Бадмаева З.Б., Сангаджиева Л.Х., Саягаджиева 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.155-161.

4. Сангаджиева Л.Х., Бадмаева З.Б., Кикильдеев JI.E, Уланова Е.В. Эколого-биохимические особенности растительности на известняковых месторождениях Калмыкии // Беккеровские чтения: 1 междун. научно-прахт. конф. Волг.ГУ. Волгоград, 2010. - С. 199-200.

5. Бадмаева З.Б., Сангаджиева Л.Х., Сангаджиева О.С. Известняки в полнорационных комбинированных кормах для сельскохозяйственной птицы // Сб. науч. тр. междун. научно-практич. конф.: Актуальные проблемы производства и переработки продукции живот-ва. Карачаево-Черкесский ГТА. Ставрополь, 2010. - С. 298-299.

6. Сангаджиева 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.59-62.

7. Бадмаева З.Б., Даваева Ц.Д., Сангаджиева О.С., Шамадыкова Д.Э. Оценка экотоксикологических аспектов поведмшя тяжелых металлов в почвах Катмыкии // Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК. Материалы 7 всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых. Астрахань, 2011. - С. 112-115.

8. Бадмаева З.Б., Даваева Ц.Д., Сангаджиева О.С., Булукгаев A.A. 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. 115-120.

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. 185-189.

10. Бадмаева З.Б., Менглиноиа А.Б., Носгаева 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. 66-70.

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.

Подписано в печать 07.03.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать RJSO. Объем 1,0 печ. л. Тираж 100 экз.

Заказ № 129.

Отпечатано с готового оригинал-макета Центр полиграфических и копировальных услуг Предприниматель Серман Ю.Б. Свидетельство № 3117 410600, Саратов, ул. Московская, д.152, офис 19, тел. 26-18-19,51-16-28

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бадмаева, Зула Борисовна, Элиста

61 12-3/1237

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЛМЫЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

БАДМАЕВА Зула Борисовна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА КАРЬЕРОВ РЕСПУБЛИКИ КАЛМЫКИЯ

03.02.08 — экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Л.Х. Сангаджиева

Элиста - 2012

исследований..................................................................................................................................43

Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

КАРЬЕРОВ..............................................................................................................................................................45

3.1 Солевой состав почвогрунтов..........................................................................................45

3.2 Содержание питательных элементов в почвогрунтах исследуемых карьеров........................................................................................................................................49

3.3 Особенности распределения тяжелых металлов в почвогрунтах исследуемых карьеров ......................................................................................................54

3.4 Перспективы использования сырья карьеров......................................................70

3.4.1 Известняки в полнорационных комбинированных кормах для сельскохозяйственной птицы......................................................................................70

3.4.2 Оценка возможности применения глиногипса

в качестве мелиоранта для солонцовых почв............................................................72

3.5 Водные минеральные источники карьеров............................................................76

Глава 4. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА

КАРЬЕРОВ............................................................................................................................79

4.1 Особенности растительного покрова карьеров................................................79

4.2 Особенности химического состава растений карьеров........................89

4.2.1 Месторождения известняка......................................................................................89

4.2.2 Месторождение песка........................................................................................93

4.2.3 Месторождение глиногипса............................................................................94

4.3 Питательные вещества растений карьеров......................................................95

4.4 Особенности накопления тяжелых металлов растениями карьеров............................................................................................................99

4.5 Изменение баланса элементов в растениях карьеров..........................119

ВЫВОДЫ......................................................................................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................4

Глава 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ

К УСЛОВИЯМ ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННОЙ СРЕДЫ

(обзор литературы)..........................................................................................................................у

1.1 Классификация техногенных ландшафтов и самовосстановление

почвенно-растительного покрова карьеров....................................................................7

1.2 Специфика техногенного загрязнения тяжелыми металлами

окружающей среды................................................................................................................22

1.3 Нормирование загрязняющих веществ в почве................................................15

1.4 Экологическая специализация растений....................................................................20

1.5 Опыт рекультивации техногенных ландшафтов отвалов............................23

1.6 Месторождения строительных материалов в Калмыкии

и соседних регионах..........................................................................................................26

Глава 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ

УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................3 0

2.1 Материал и объекты исследования............................................................................30

2.1.1 Карьеры известняка-ракушечника Зунда-Толга и Чолун-Хамур 3 0

2.1.2 Карьер песка Аршанский................................................................................33

2.1.3 Карьер глиногипса Ленинский......................................................................................34

2.2 Физико-географические и экологические условия

исследования.....................................................

2.2.1 Климат..............................................................................................^^

2.2.2 Рельеф....................................................................................................^

2.3 Характеристика почвенного покрова и растительности................37

2.4 Методы исследования свойств почв и растений......................................39

2.4.1 Химические методы исследования..................................................................39

2.4.2 Статистические методы обработки результатов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. 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 содержание 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-биотестов 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

4

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 почвенно-растительного 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 университета (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 научно-практической 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.

Глава 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ К УСЛОВИЯМ ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННОЙ СРЕДЫ

(обзор литературы)

1.1 Классификация техногенных ландшафтов и самовосстановление почвенно-

растительного покрова карьеров

Практически все полезные ископаемые добываются открытым способом, что приводит к значительному нарушению земель. На месте исчерпанного месторождения остаются карьеры и отвалы пустой породы, создающие своеобразный «лунный» ландшафт. Некоторые карьеры постепенно заполняются водой, в других устраивают свалки. Нарушенные земли по правилам землепользования требуют рекультивации, то есть восстановления почвенно-растительного покрова. Добыча любого полезного ископаемого - это серьезное вмешательство в природу, и один из мощных видов техногенеза. В местах добычи полезных ископаемых происходит почти полное уничтожение природных ландшафтов, на месте которых возникают скважины, шахты, карьеры, отвалы, отходы первичного обогащения руд, угольные терриконы и формируются особые ландшафтно - геохимические системы -горонопромышленные ландшафты.

После отработки месторождений на этих территориях возникает карьерно-отвальные ландшафты. Их облик и дальнейшая судьба определяются типом бывшего месторождения и уровнем трансформации территории. Принято выделять следующие типы карьерно-отвального ландшафта: 1. Обнаженный (лишенный растительности из-за своей молодости или токсичности); 2. Пустотный (покрытый сорно-полевой растительностью: луговой или лугово-степной). Это один из самых распространенных видов ландшафтов в зрелой стадии; 3. Лесной (одетый высокоствольными лесом: сосновым или березово-осиновым); 4. Камнеломный бедленд (на местах добычи известняка, песчаника, писчего мела и других плотных пород). Это каменистые донно-карьерные урочища с крутыми склонами, полуразрушенными отвалами, лишенные почв и

долго не зарастающий; 5. Торфяно-карьерный (на местах торфоразработок). Сильное переувлажнение приводит к образованию озер в понижениях. Растительность представлена болотным разнотравьем, угнетенными древесными и кустарниковыми видами.

Согласно Л.Н. Булава (1989) классификация функционально-генетического подхода разрабатывалась в два этапа. Сначала разрабатывалась классификация горнопромышленных геотехнических систем региона. Она отражает, с одной стороны, особенности объекта воздействия (природные условия горнодобычи), а с другой стороны, особенности технических систем осуществляющих геотехноморфогенез. Затем на основании анализа следствий геотехноморфогенеза проводилась классификация горнопромышленных ландшафтов Криворожья. Классификационные единицы ранга фации, подурочища и урочища выделялись на основании полевых ландшафтных исследований. Более высокие ступени классификации выделялись с учетом особенностей мезоформ техногенного рельефа и их сочетаний, зависящих от технологии горнопромышленных работ. Выделены три типа горнопромышленных покрова техногенных ландшафтов (карьерно-отвальный, шахтный, экстрактивно-отвальный). Техногенный ландшафтный участок соответствует отдельному массиву нарушенных земель или его крупной морфологической части, отличающейся технологией образования, возрастом и составом горных пород. Эта территориальная единица является объектом анализа для установления факторов, влияющих на выбор направления рекультивации массива нарушенных земель, в зависимости от его положения по отношению к окружающим ландшафтам и территориальной структуре природопользования. Каждый из трех выделенных типов техногенного ландшафтного участка характеризуется особенностями сочетания формирующихся техногенных урочищ.

В качестве техногенного урочища Булава рассматривает сопряженную систему фаций приуроченных к мезоформе техногенного рельефа, генетически связанной с определенным видом технологии. В контуре урочища преобладает

одна группа горных пород одновременно вынесенных на поверхность, что обуславливает близкие фазы развития техногенных фаций в его составе. С учетом особенностей мезорельефа выделено 10 типов техногенных урочищ отвалов Криворожья. В то же время виды техногенных урочищ выделялись по преобладающему составу горных пород и их смесей.

Классификация горнопромышленных ландшафтов должна отражать их генетическую связь с функционированием горнопромышленных геотехнических систем, обуславливающих особенности геотехноморфогенеза и свойства исходных геомасс.

Природно-техногенные экосистемы, возникающие в результате накопления на значительных площадях отвалов горнодобывающих предприятий, в литературе рассматриваются как техногенные бендленды или природно-техногенные комплексы (Миронова, 2011). Существуют различные классификации техногенных ландшафтов. Так, Ф.Н. Мильков (1973) антропогенные ландшафты объединяют в 1 класс - промышленные ландшафты с определенными типами (например, карьерно-отвальный). Л.В. Моторина (1975) на примере буроугольных и железорудных месторождений выделили два основных типа природно-техногенных ландшафтов: 1. На буроугольных отвалов тип местности с господством карьерно-отвальных крупногрядово-гребневидноных пустотных комплексов со слабым восстановлением или отсутствием растительного покрова; 2. На железорудных месторождениях тип местности с преобладанием карьерно-отвальных среднегрядово-гребневидно-бугристых комплексов с интенсивным зарастанием растительностью. Типы местности подразделяются на урочища.

Как известно, специфика состава и дифференциации в пространстве почвенного покрова естественных ландшафтов определяется сочетанием особенностей естественных факторов почвообразования, прежде всего абиогенной природы - климата, рельефа и пород.

В настоящее время на освоенных территориях широкое распространение получили техногенные ландшафты. После прекращения их использования в них

развиваются сукцессионные процессы, в результате которых формируются регенерационные экосистемы (Гусев, 2006).

Для разработки наиболее эффективных и рациональных способов рекультивации нарушенных природных комплексов большое значение имеет изучение процессов их естественной эволюции в различных природно-климатических и техногенных условиях, в частности восстановление растительного покрова, как наиболее информативной части биогеоценозов (Миронова, Иванов, 2009). Биогенно-аккумулятивные процессы были основными в эволюционном развитии древних почв при выходе растительности на сушу (Дергачева, 1999), а в современной обстановке они представляют собой механизм, обеспечивающий инициацию регенерационного почвообразования в посттехногенных экосистемах карьерно-отвальных комплексов (Абакумов, Гагарина, 2002; Абакумов, Гагарина, Лисицына, 2005). При этом степень сложности организации почвенного профиля тесно связана с уровнем развития растительного сообщества (Klaas, van Lagen, Buurman, 2001). В литературе значительное внимание уделено особенностям гумусообразования под различными видами растений (Klaas, van Lagen, Buurman, 2001; Bini, 2005).

До сих пор недостаточное внимание уделяется самовосстановлению почвенно-растительного покрова карьеров. Искажение или уничтожение исходного микро- и нанорельефа практически исключает восстановление естественного почвенного покрова (Максимова, 1972; Васильевская, Кирилишин, 1993). Если же он сохранен, то формирование растительного и почвенного покровов идет достаточно быстрым темпом.

И.В. Костенко, Н.Е. Опанасенко (2005) изучали почвооб�