Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Техногенная трансформация видового разнообразия растительных сообществ в условиях нефтедобычи

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Техногенная трансформация видового разнообразия растительных сообществ в условиях нефтедобычи"

На правах рукописи

Гатина Евгения Леонидовна

Техногенная трансформация видового разнообразия растительных сообществ в условиях нефтедобычи (на примере Пермского края)

03.00.16-экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

00460

Пермь-2010

021

004601021

Работа выполнена на кафедре биогеоценологии и охраны природы Пермского государственного университета

доктор географических наук, доцент

Бузмаков Сергей Алексеевич

доктор биологических наук, профессор

Ильминских Николай Геннадьевич

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Никонова Нина Николаевна

Ведущая организация: Тюменский государственный

университет

Защита состоится 22 апреля 2010 г. в 1330 на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 при Пермском государственном университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Ученого Совета.

Адрес сайта: http//www.psu.ru e-mail: novoselova@psu.ru fax:(342)237-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан 17 марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор биологических наук, доцент Л. В. Новоселова

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный облик растительности в Пермском крае отражает как зональные и региональные черты, так и особенности антропогенного преобразования. Несмотря на имеющиеся работы по исследованию флоры и растительности региона (Овеснов, 1997, 2009; Воронов и др., 2005; Иллюстрированный определитель..., 2007) и техногенной трансформации растительного компонента на территории регионов Российской Федерации (Шилова, 1977; Шилова, 1988; Гашева и др., 1990) н в Пермском крае (Бузмаков, Костарев, 2003; Оборин и др., 2008) современная оценка состояния видового разнообразия растительных сообществ в условиях антропогенного преобразования остается актуальной.

Производственная деятельность нефтедобывающих предприятий обуславливает существенное воздействие на природные компоненты и комплексы (Пиковский, 1993; Солнцева, 1998; Бузмаков, Костарев, 2003; Оборин и др., 2008), в том числе и на растительный компонент. На территории Пермского края достаточно хорошо изучен растительный покров, но трансформация видового разнообразия растительных сообществ в условиях нефтедобычи подробно не рассматривалась.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось выявление закономерностей техногенной трансформации видового разнообразия растительных сообществ в местах нефтедобычи на территории Пермского края.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть современные представления о видовом разнообразии растительных сообществ и его трансформации в местах нефтедобычи.

2. Проанализировать современные методы оценки видового разнообразия растительных сообществ. Провести полевое обследование.

3. Выявить иерархию факторов окружающей среды, определяющих видовой состав растительных группировок (РГ) в равнинной части Пермского края.

4. Исследовать особенности видового разнообразия типичных РГ равнинной части Пермского края.

5. Оценить особенности изменения видового разнообразия во вторичных РГ в равнинной части Пермского края.

6. Определить видовое разнообразие растительных сообществ в местах нефтедобычи.

Научная новизна. Впервые проведена оценка видового разнообразия РГ в местах нефтедобычи на территории Пермского края. Получены

значения индексов разнообразия для типичных и вторичных РГ и их изменения при техногенном воздействии. Установлена значимость факторов окружающей среды, определяющих видовой состав растительных сообществ в равнинной части Пермского края.

Впервые показаны особенности трансформации РГ, их видового состава и разнообразия, в условиях нефтедобычи на территории Пермского края.

Практическая значимость. Результаты исследования использованы при обосновании зонирования охраняемых ландшафтов регионального значения «Нижневишерский», «Куединский», при разработке программы и осуществлении экологического мониторинга особо охраняемых природных территорий (ООПТ) регионального значения, расположенных в зоне влияния нефтяных месторождений, при разработке программы ведения биотического мониторинга на территории месторождений с особыми условиями хозяйственной деятельности ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Видовой состав растительных группировок равнинной части Пермского края определяется как экологическими условиями (уровнем увлажнения, трофностью местообитания, зональностью), так и техногенным воздействием нефтепромыслов.

2. Современное видовое разнообразие типичных растительных группировок равнинной части Пермского края увеличивается в ряду «средняя тайга - южная тайга - хвойно-широколиственные леса».

3. Видовое разнообразие растительных группировок достигает максимального разнообразия на средних стадиях сукцессии: в мелколиственных и смешанных лесах.

4. Видовое разнообразие растительных группировок на начальных этапах эксплуатации месторождения увеличивается, при длительной техногенной нагрузке наблюдается снижение разнообразия.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на международной научно-практической конференции «Антропогенная динамика природной среды» (Пермь, 2006), международном симпозиуме «Обеспечение экологической безопасности природно-техногенных экосистем, опыт России и Германии» (Берлин, Германия, 2009), международном семинаре «Обеспечение безопасности закрытых полигонов твердых бытовых отходов экологическими методами» (Пермь, 2009), международном семинаре молодых ученых

«Научные чтення памяти Н.Ф. Реймерса и Ф.Р. Штильмарка «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2009), на заседании кафедры биогеоценологии и охраны природы географического факультета Пермского государственного университета.

Публикации. Основное содержание и результаты диссертации опубликованы в 11 работах, включая две - в изданиях по перечню ВАК.

Структу ра и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, библиографического списка, включающего 119 наименований, из них восемь на иностранных языках. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, включает 35 таблиц, 33 рисунка и одно приложение.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю д.г.н. С.А. Бузмакову, д.г.н., профессору Г.А. Воронову. Отдельную благодарность выражаю д.б.н., профессору С.А. Овеснову за ценные советы, благодарю сотрудников кафедры биогеоценологии и охраны природы Пермского государственного университета за помощь в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современные представления о техногенной

трансформации видового разнообразия в условиях нефтедобычи

Трансформация природной среды при нефтедобыче происходит на всех этапах производства. Выделяют два основных направления техногенеза: механическое разрушение при работе средств физического воздействия, которое преобладает на начальном этапе эксплуатации месторождения; геохимическая трансформация и последующее нарушение природных систем при поступлении в них чужеродных и, как правило, геохимически активных веществ, что наблюдается при длительной нагрузке (Солнцева, 1998).

Мощность техногенного воздействия увеличивается в ряду нефтепромысловых объектов: куст скважин (КС) - дожимно-насосная станция (ДНС) - установка первичной переработки нефти (УППН) (Кулакова, 2007).

Современное исследование вопросов техногенного воздействия нефтедобывающих предприятий на окружающую среду характеризуется неравномерностью их изученности в отношении влияния на природные компоненты. В ходе анализа литературных данных нами выяснено, что в настоящее время достаточно хорошо рассмотрены вопросы, связанные с ответом РГ на механическое воздействие, геохимическое загрязнение.

Одним из параметров, характеризующих состояние РГ, является видовое разнообразие. В настоящее время освещены методы измерения и

оценки видового разнообразия, разработан математический аппарат обработки данных. Однако остается малоизученной трансформация видового разнообразия РГ в местах нефтедобычи.

Глава 2. Материал и методы исследования

В главе дана природно-климатическая характеристика территории Пермского края. Показаны особенности рельефа, климата, гидрографии, почвенного и растительного покрова, животного мира.

Для определения техногенной трансформации видового разнообразия РГ обследовались территории месторождений нефти, расположенных в районах средней тайги (Озерное, Гагаринское, Маговское, Логовское месторождения), южной тайги (Шершневское месторождение) и хвойно-широколиственных лесов (Батырбайское, Аптугайское, Шагирто-Гожанское месторождения). Фоновыми участками были приняты ООПТ регионального значения, расположенные в тех же районах (охотничий заказник «Березниковский», охраняемые ландшафты «Нижневишерский», «Большеситовское болото», «Сарашевская дубрава» (северный участок), «Куединский» (северный участок)).

Полевые обследования проводились в 2005-2009 гг. с использованием рекомендованных геоботанических методик (Краткое руководство..., 1952; Миркин, Наумов, 1998). Выполнено и обработано 224 геоботанических описания. Латинские и русские названия сосудистых растений приведены по сводке «Конспект флоры Пермской области» (Овеснов, 1997).

На территории месторождений нефти проведена оценка состояния РГ на технологических площадках нефтепромыслов и окружающих объекты нефтедобычи (КС, ДНС, УППН). Воздействие на РГ характеризовалось по флористическому составу, числу видов, проективному покрытию, значениям индексов разнообразия, зависимости видового богатства от площади, структуре эколого-ценотических спектров видов, слагающих травянисто-кустарничковый ярус (Оценка и сохранение..., 2000; Смирнова и др., 2004), наличию синантропных видов растений.

При обработке собранного материала были рассчитаны индексы разнообразия: индекс Шеннона Н', показатель выравненное™ Е, индекс общности Серенсена-Чекановского (ICs) по формулам:

Н' = lg ,

где p¡ - доля особей i-ro вида.

e = -ÍL, IgS

где S - число выявленных видов фитоценоза.

(a+b)+(a+c)

где а - число общих видов, (а+b) — общее число видов во втором списке, (а+с) - общее число видов в первом списке. По значениям индекса общности был проведен кластерный анализ методом одиночной связи.

Зависимость видового богатства от площади выявлялась с помощью вписанных друг в друга площадок, размером от 0,1 м2 с расширением до 0,25, 1, 4, 9, 16, 25, 100 м2. Размер конечной площади определялся однородным сложением РГ. Зависимость видового богатства от площади строилась в виде логарифмической кривой на основе значений числа видов.

Примененные методики позволяют выявить иерархию факторов окружающей среды, определяющих видовой состав РГ, оценить зональные особенности видового разнообразия, характер его изменения на средних стадиях сукцессии, определить направление трансформации при эксплуатации месторождений нефти.

Глава 3. Изменения видового разнообразия растительных сообществ 3.1. Факторы, определяющие видовое разнообразие растительных сообществ равнинной части Пермского края

Для выявления значимости факторов, определяющих видовое разнообразие растительных сообществ равнинной части Пермского края, рассчитан Ics для 89 обследованных РГ и проведен кластерный анализ полученных значений (рис. 1).

По результатам кластер-анализа отличными по видовому составу от остальных являются РГ 34, 13 и 16 (рис.1), сформировавшиеся в условиях избыточного застойного увлажнения, вне зависимости от наличия объектов нефтяной инфраструктуры. Наиболее существенным фактором, определяющим видовой состав РГ в равнинной части Пермского края, является избыточное увлажнение местообитания.

Следующая группа включает в себя РГ местообитаний застойного увлажнения (8, 15, 33, 35 (сосняк кустарничково-сфагновый и верховые болота)) и РГ сухих и бедных по минеральному питанию местообитаний (3, 18, 20, 22 (сосняки лишайниковые)) (рис. 1). Для подобных РГ характерна малодоступность питательных веществ для растений. Второй по значимости фактор, определяющий видовой состав РГ в равнинной части Пермского края, это олиготрофность местообитания.

Затем, судя по рис. 1, выделяются два кластера. Кластер № 1 начинается с 1 по 36 РГ и включает РГ, обследованные в районе хвойно-широколиственных лесов, и РГ, сформированные на площадках объектов

Расстояние объединения

нефтепромыслов. Кластер № 2 включает РГ от 28 до 9, что соответствует группировкам, обследованным в средней и южной тайге. Следующим фактором, определяющим видовой состав РГ, является зональность распределения растительности в равнинной части Пермского края.

В кластере № 1 близкими по видовому составу являются РГ с 62 по 36. Данная группа объединяет РГ, обследованные на территории месторождений нефти. Следующий фактор, определяющий видовой состав РГ, техногенное воздействие нефтепромыслов.

Значимость факторов окружающей среды, определяющих видовой состав сообществ в равнинной части Пермского края, определена как избыточное увлажнение, олиготрофность, зональность, техногенное воздействие нефтепромыслов.

3.2. Пространственные изменения видового разнообразия растительных сообществ

Фоновая антропогенная нагрузка приводит к трансформации природной среды, которая выражается на региональном уровне в омоложении сообществ по мере продвижения с севера на юг региона.

Зональные особенности видового разнообразия оценивались на участках ООПТ в типичных для каждого ботанико-географического района сообществах. Средние значения индексов разнообразия представлены в табл. 1.

Таблица 1

Средние значения индексов разнообразия Н' и Е для обследованных типичных растительных группировок равнинной части Пермского края

Растительная группировка Н' Е

Средняя тайга

Темнохвойные леса 2,0787 0,6828

Светлохвойные леса 1,6623 0,6003

Южная тайга

Темнохвойные леса 2,0695 0,6340

Хвойно-широколиственные леса

Широколиственно-хвойные (сложные) леса 2,4880 0,6700

Темнохвойно-светлохвойные леса 2,5390 0,7141

Широколиственные леса 2,2533 0,6427

Светлохвойные леса 2,1136 0,6223

Средние значения Н', рассчитанные для типичных РГ, изменяются следующим образом: 1,8705 (средняя тайга) - 2,0695 (южная тайга) -2,3485 (хвойно-широколиственные леса), значения Е близки в таежных РГ 0,6415, 0,6340 и увеличивается в районе хвойно-широколиственных лесов до 0,6623.

Построенные зависимости числа видов от площади демонстрируют увеличение видового богатства для темнохвойных и светлохвойных лесов равнинной части Пермского края в ряду «средняя тайга - южная тайга -хвойно-широколиственные леса».

Для эколого-ценотических спектров видового состава трав в темнохвойных и светлохвойных лесах характерно снижение доли участия видов бореальной ЭЦГ. Для темнохвойных лесов в районе хвойно-широколиственных лесов отмечено увеличение участия немор&чьной и луговой ЭЦГ. Для светлохвойных лесов характерно увеличение видов боровой ЭЦГ в районе хвойно-широколиственных лесов.

Таким образом, видовое разнообразие типичных РГ равнинной части Пермского края увеличивается в ряду: средняя тайга - южная тайга -хвойно-широколиственные леса.

3.3. Трансформация видового разнообразия во вторичных лесах

На территории Пермского края распространение смешанных и мелколиственных лесов определяется хозяйственной деятельностью человека. В большинстве случаев мелколиственные и смешанные леса на территории региона носят вторичный характер.

Мелколиственные леса генетически тесно связаны с коренными РГ и, как правило, образуют насаждения, соответствующие типам коренных биогеоценозов (Симкин, 1974).

Нами рассматривались лесные стадии сериальных смен РГ: мелколиственные и смешанные леса.

Для района средней тайги средние значения выявленных индексов разнообразия представлены в табл. 2.

Таблица 2

Средние значения индексов разнообразия Н' и Е на территории

охраняемого ландшафта регионального значения «Нижневишерский»

Растительная группировка Н' Е

Темнохвойные леса 2,0787 0,6828

Светлохвойные леса 1,6623 0,6003

Смешанные леса 2,3365 0,7085

Мелколиственные леса 2,6041 0,7157

Наиболее распространенными в условиях средней тайги являются лесные группировки чернично-зеленомошных лесов. Выявленные зависимости числа видов от площади для чернично-зеленомошных лесов демонстрируют близкие уровни видового богатства в типичных РГ и повышение видового богатства для смешанных и мелколиственных РГ. Максимальными уровнями видового богатства характеризуются мелколиственные лесные РГ.

Эколого-ценотические спектры видового состава трав лесов чернично-зеленомошных, произрастающих в средней тайге (рис. 2), демонстрируют снижение доли видов бореальной ЭЦГ в смешанных и

мелколиственных лесах. Для мелколиственных лесов характерно внедрение луговой ЭЦГ в состав травянисто-кустарничкового яруса.

100%

80%

60%

40%

20%

Темнохвойные Сосняк Смешанный Березовый пес Березовый пес

леса черничник лес черничник черничник разнотравный

Рис. 2. Эколого-ценотические спектры видового состава трав для группы лесов чернично-зеленомошных, произрастающих в средней тайге, где С% - олиготрофная ЭЦГ, М<1 - луговая и лугово-опущечная ЭЦГ, НЬ -высокотравная ЭЦГ, Рп - боровая (бореальная) ЭЦГ, Вг к - бореальная (кустарнички и вечнозеленые травы) ЭЦГ, Вг ш - бореальная (мелкотравье) ЭЦГ

Для среднетаежных лесов характерно повышение видового разнообразия во вторичных (мелколиственных и смешанных) лесных РГ. Для эколого-ценотических спектров характерно снижение доли видов бореальной ЭЦГ и внедрение видов луговой, водно-болотной (гигрофильной) ЭЦГ.

Для оценки изменения видового разнообразия во вторичных лесах района южной тайги выбрано 13 ключевых РГ, среди которых присутствуют и чернично-зеленомошные лесные РГ. Значения индексов разнообразия для группы лесов чернично-зеленомошных представлены в табл. 3.

Таблица 3

Значения индексов разнообразия Н' и Е на территории южной тайги

для группы лесов чернично-зеленомошных

Растительная гру ппировка Н' Е

Еловый лес Т06951 0,6340

Смешанный лес 2.3291 0,6605

Березовый лес 1,7831 0,5857

Уровень видового разнообразия повышается в смешанных лесных РГ и снижается для мелколиственных сообществ.

Для южнотаежных лесов, как и для района средней тайги, характерно повышение видового разнообразия смешанных РГ. Для эколого-ценотических спектров характерно снижение доли видов бореальной ЭЦГ во вторичных лесных РГ. Отмечено упрощение видового состава мелколиственных лесов.

В районе хвойно-широколиственных лесов повышенными значениями индексов разнообразия характеризуются смешанные леса (табл. 4).

Средние значения индексов разнообразия Н' и Е охраняемого ландшафта регионального значения «Са Таблица 4 на территории эашевская дубрава»

Растительная группировка Н' Е

Хвойно-широколиственные леса 2,2533 0,6427

Светлохвойные леса 2,0778 0,5367

Смешанные леса 2.2949 0,6264

Пойменные леса 1,7895 0.6078

Таким образом, для равнинной части Пермского края отмечено-повышение видового разнообразия на стадиях, предшествующих заключительным стадиям сукцессии: смешанных и мелколиственных РГ. Для эколого-ценотических спектров характерно увеличение участия видов луговой ЭЦГ во вторичных лесах.

3.4. Видовое разнообразие растительных сообществ на территории месторождений нефтн

Уровень трансформации растительности на территории месторождения нефти зависит от ее исходного состояния. В наиболее полной форме процессы трансформации растительности выражены на лесных территориях нефтепромыслов.

При обустройстве и эксплуатации месторождения нефти естественные экосистемы трансформируются в природно-техногенные. Изменения растительного покрова на территории месторождений молено подразделить на 5 групп (Бузмаков, Костарев, 2003), сформированных под влиянием:

1) механических нарушений биогеоценотического покрова;

2) изменений водного режима территории;

3) засоления субстрата;

4) нефтяного загрязнения субстрата;

5) загрязнения атмосферы.

1. При механических нарушениях бногеоценотического покрова РГ формируются на техногенных субстратах. Для нормального функционирования нефтепромысловых объектов необходимо постоянное уничтожение растительности на технологических площадках КС, ДНС, УППН, линейных объектах нефтепромыслов.

Общее проективное покрытие РГ на площадках скважин достигает 40-50%, синантропных видов более 50% при их высоком обилии. Техногенная нагрузка носит постоянный характер. На валу вокруг технологических площадок развиваются пионерные РГ с проективным покрытием до 50%. Основу видового состава составляют синантропные виды растений.

Сформировавшиеся на техногенных субстратах РГ характеризуются сниженным видовым разнообразием (табл. 5).

Таблица 5

Значения индексов разнообразия Н' и Е для РГ, сформировавшихся на

площадках скважин месторождений нефти

Растительная группировка Н' Е

Озерное месторождение нефти 0,9136 0,3001

Шершневское месторождение нефти 0,7643 0,2596

Батырбайское месторождение нефти ГО,9433 0,2862

Аптугайское месторождение нефти 1,4854 0,3778

Шагирто-Гожанское месторождение нефти 0,5857 0,1661

Примечание. В качестве фоновой РГ принят разнотравно-злаковый луг, характеризующийся следующими значениями индексов разнообразия Н-2,7646, Е=0,7031.

Зависимости числа видов от площади демонстрируют сниженное видовое богатство для РГ, сформировавшихся на техногенных субстратах.

Спектры зколого-ценотгпеских групп видов, слагающих травянисто-кустарничковый ярус обследованных РГ, отражают преобладание луговой ЭЦГ (рис. 3).

Пионерные РГ технологических площадок составляют в основном сорно-рудеральные виды растений, такие как пырей ползучий (Elytrigia repens), подорожник большой (Plantago maxima), осот полевой (Sonchus arvensis), донник белый (Melilotus albus), иван-чай узколистный (Chamerion angustifolmm), относящиеся к луговой ЭЦГ.

2. Изменение водного режима приводит к формированию гигрофильного растительного сообщества. Подобные РГ образуются рядом с технологической площадкой объекта нефтепромысла в пониженных формах рельефа при нерегламентной эксплуатации, а также

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

57,89

81,25

Э0,48

ш

I 1 I

84,61

£ 5

□ тн

в Wt

□ Мс1 аРп

□ Ыт _ ОВгп

Рис. 3. Эколого-ценотические спектры видового состава трав сорно-рудеральных РГ,

сформировавшихся на площадках скважин месторождений нефти и фонового сообщества, где 81 - степная ЭЦГ, ТН - ЭЦГ бореального высокотравья, - водно-

болотаая (гигрофильная) ЭЦГ, № - нитрофильная ЭЦГ, Мс! - луговая ЭЦГ, Рп -боровая (бореальная) ЭЦГ, Кт - неморальная ЭЦГ, Вг_к - бореальная (кустарнички и вечнозеленые травы) ЭЦГ, Вг_ш - бореальная (мелкотравье) ЭЦГ

вдоль линейных объектов (дорог, трасс трубопроводов) (Бузмаков, Костарев, 2003).

Лесные РГ, испытывающие изменение водного режима (рис. 4), характеризуются сниженным видовым разнообразием, видовым богатством, упрощением структуры сообществ.

5 ю

Сосняк

зеленомошник (месторождение'

Сосняк

зеленомошник (фон)

4000 6000 8000 площадь, м2

10000 12000

Рис. 4. Зависимости числа видов от площади, выявленные для растительных

группировок, испытывающих изменение водного режима, и фонового сообщества

В лесных сообществах вдоль линейных объектов на участках трасс трубопроводов происходит снижение видового разнообразия, хотя и не

такое значительное как в РГ, сформированных на участках с механическим нарушением субстрата.

3. Засоление субстрата вследствие аварий водоводов является довольно распространенной ситуацией на нефтепромыслах из-за повышенной коррозионной активности соленых промысловых вод. Техногенный галогенез считается одним из ведущих геохимических процессов на территории эксплуатируемых месторождений (Солнцева, 1998).

Засоление субстрата обуславливает специфические начальные этапы восстановлен!! я растительности с преобладанием видов семейства маревых: марь белая (Chenopodium album), марь красная (Chenopodiimi rubrum), лебеда лоснящаяся (Atriplex sagittata), лебеда раскидистая (Atriplex patida), лебеда татарская (Atriplex tatarica). Благодаря преобладанию промывного водного режима большинства почв Пермского края восстановление растительности при засолении субстрата идет через пионерные РГ и происходит через 1-2 года.

Регулярное засоление субстрата на территории месторождений нефти отмечается в почвах пойм рек 1-2 порядка, что обусловлено постоянным транзитом солесодержащих вод и частичной аккумуляцией техногенных солей. Для РГ, формирующихся в подобных условиях, наблюдается угнетение древесного яруса, замена древесных насаждений на травянистые сообщества (Бузмаков, Костарев, 2003). Засоление в течение ряда лет отмечено для поймы р. Гожанка. Значения индексов разнообразия обследованного ивняка в пойме р. Гожанка демонстрируют снижение видового разнообразия в РГ, произрастающих в условиях засоления субстрата (табл. 6).

Таблица 6

Значения индексов разнообразия Н' и Е в ивовом сообществе в

засоленной пойме р. Гожанка

Растительная группировка Н' Е

Мелколиственный пойменный тальник 1997 1,0193 0,5238

Мелколиственный пойменный тальник 2005 1,9099 0,6010

Мелколиственный пойменный тальник (фон) 2,2905 0,6392

Эколого-ценотические спектры РГ, сформированных при засолении субстрата (рис. 5), демонстрируют преобладание видов нитрофильной ЭЦГ, таких как подмаренник цепкий (Galium aparine), камыш лесной (Scirpus sylvaticus) и участие видов луговой ЭЦГ (горец щавелелистный (Polygonum lapatifolium), лютик едкий (Ranunculus acris)).

При засолении субстрата происходит снижение видового разнообразия сообществ с преобладанием в эколого-ценотическом спектре трав видов нитрофильной и луговой ЭЦГ.

100% -ирням-^-^--,

80%,--I '---------В*^^......—.............—!. ............ □ Wt

ии_1 ь=н

—........—............Г-........—....................- о мй

--| -! —| ррп

; ' а Ыт

.........---^^И------........ .------- вВг_т

Я ИЛ

Мелколиственный Мелколиственный Мелколиственный пойменный тальник пойменный тальник пойменный тальник 1997 2005 (фон)

Рис. 5. Эколого-ценотические спектры видового состава трав растительных группировок в засоленной пойме р, Гожанка, где - водно-болотная (гигрофильная) ЭЦГ, N1 -

нирофильная ЭЦГ, 1уМ - луговая ЭЦГ, НЬ - высокотравная ЭЦГ, Рп - боровая (бореальяая) ЭЦГ, N111 - неморальная ЭЦГ, Вг_т - бореальная (мелкотравье) ЭЦГ

4. Нефтяное загрязнение субстрата происходит чаще всего при нерегламентной эксплуатации технологических объектов нефтепромысла.

Нефтяное загрязнение приводит к нарушению участков фитоценоза. На открытых пространствах в послеаварийный период проводят рекультивационные работы, которые заключаются в полном снятии ■«грязненных почвогрунтов и нанесении нового плодородного слоя. В случае отсутствия биологического этапа восстановления земель такие участки заселяют1 сорно-рудеральные виды, относящиеся к луговой ЭЦГ.

Для РГ, произрастающих в условиях повышенного содержания нефтепродуктов в субстрате, характерно снижение видового разнообразия при незначительном повышении видового богатства сообществ. В травянисто-кустарничковом ярусе РГ появляются виды водно-болотной (гигрофильной) и олигогрофной ЭЦГ.

5. Загрязнение атмосферы и его воздействие на РГ прослеживается в пределах санитарно-защитной зоны объекта нефтепромысла. При эксплуатации КС выделяются различные фракции углеводородов, сероводород. При работе таких нефтепромысловых объектов, как ДНС, УППН выделяются диоксиды азота и серы, оксид углерода, сажа, а также сероводород и углеводороды (Бузмаков, 2005).

Трансформация растительного компонента природной среды определяется длительностью воздействия загрязняющих веществ. Одним из наиболее длительных по времени эксплуатации на территории Пермского края является Шагирто-Гожанское месторождение нефти, где промысел ведется с 1965 г.

По обобщенным данным инвентаризации источников и объемов выбросов вредных веществ на Шагирто-Гожанском месторождении нефти максимальные значения приходятся на УППН «Гожан» (Кулакова, 2007).

Выявленные значения индексов разнообразия на трансекте в лесных РГ, расположенных вблизи УППН «Гожан» Шагирто-Гожанского месторождения нефти, снижаются по мере удаления от источника воздействия. Максимальные значения индексов наблюдаются в РГ, расположенной вблизи от источника воздействия, что происходит за счет внедрения видов луговой ЭЦГ. При удалении от источника загрязнения атмосферы происходит восстановление структурных особенностей РГ: снижение доли участия видов луговой ЭЦГ, снижение индексов разнообразия, увеличение доли видов тех ЭЦГ, что характерны для смешанных лесов (неморальной, бореальной).

Зависимость изменения разнообразия растительных сообществ от длительности эксплуатации месторождения рассмотрена на примере Шагирто-Гожанского и Аптугайского месторождений нефти, расположенных в районе хвойно-широколиственных лесов. Аптугайское месторождение нефти разрабатывается с 2001 г. Фоновой территорией принят охраняемый ландшафт регионального значения «Куединский» (северный участок).

Для обследованных лесных РГ были вычислены средние значения индексов синантропизации и разнообразия (рис. 6).

2,5 |—

-

О

ч с

г1'5

2,2842

2,3247

2,1465

; 1 1

' 0.5

0

0,5423

0,6458

0,5978 -*

0,0473

0,1866

-Индекс синантропизации

- И ндекс разнообразия Н

-Показатель выравненное™ Е

северная часть Аптугайское Шагирто-Гожанское

охраняемого месторождение месторождение

ландшафта нефти нефти

"Куединский"

Рис. 6. Изменение индексов синантропизации и разнообразия на обследуемых

территориях

Из рис. 6 видно, что при увеличении длительности эксплуатации месторождения нефти индекс синантропизации возрастает. На Аптугайском месторождении нефти происходит увеличение видового разнообразия за счет внедрения синантропных видов растений,

относящихся к луговой ЭЦГ. При увелтении длительности антропогенной нагрузки (как на Шагирто-Гожанском месторождении нефти) происходит угнетение аборигенных видов растений и снижение значений индексов разнообразия.

В условиях нефтедобычи на равнинной части Пермского края видовое разнообразие растительных сообществ территории месторождения снижается за счет внедрения видов-синантропов, относящихся к луговой ЭЦГ. Видовое разнообразие растительных сообществ на начальных этапах эксплуатации месторождения увеличивается, при длительной техногенной нагрузке наблюдается снижение видового разнообразия.

Выводы

1. В ходе анализа литературных данных нами выяснено, что в настоящее время достаточно хорошо рассмотрены вопросы, связанные с ответом РГ на механическое воздействие, геохимическое загрязнение. Одним из параметров, характеризующих состояние РГ, является видовое разнообразие. В настоящее время освещены методы измерения и оценки видового разнообразия, разработан математический аппарат обработки данных. Однако остается малоизученной трансформация видового разнообразия РГ при техногенном воздействии.

2. Примененные методики позволяют выявить иерархию факторов окружающей среды, определяющих видовой состав РГ, оценить зональные особенности изменения уровня биологического разнообразия, характер его изменения на средних стадиях сукцессии, определить направление трансформации при эксплуатации месторождений нефти.

3. Значимость факторов окружающей среды, определяющих видовой состав сообществ в равнинной части Пермского края, определена как избыточное увлажнение, олиготрофность, зональность, техногенное воздействие нефтепромыслов.

4. Несмотря на существенное преобразование природной среды на юге равнинной части Пермского края видовое разнообразие типичных РГ увеличивается в ряду, средняя тайга - южная тайга - хвойно-широколиственные леса. Средние значения индекса Шеннона, рассчитанные для типичных РГ изменяются 1,8705 (средняя тайга) -2,0695 (южная тайга) - 2,3485 (хвойно-широколиственные леса), значения индекса выравненное™ близки в таежных РГ 0,6415, 0,6340, и увеличиваются в районе хвойно-широколиственных лесов до 0,6623.

5. Для вторичных лесных РГ равнинной части Пермского края характерно увеличение видового разнообразия на средних стадиях сукцессии: мелколиственных и смешанных лесах. Средние значения индекса Шеннона для вторичных РГ, обследованных на территории

средней тайги, увеличиваются до 2,3365 в смешанных лесах и 2,6041 в мелколиственных лесах. Для вторичных РГ, обследованных на территории южной тайги, характерно изменение средних значений индекса Шеннона до 1,7807 для смешанных лесов и 1,8508 для мелколиственных лесов. Средние значения индекса Шеннона для вторичных РГ, обследованных в районе хвойно-широколиственных лесов, равны 2,2949.

6. При механических нарушениях биогеоценотического покрова наблюдается максимальное снижение видового разнообразия сформировавшихся пионерных РГ с преобладанием видов луговой ЭЦГ (от 57,63 % до 90,48 %) присутствием видов водно-болотной (гигрофильной) ЭЦГ (от 4,68 % до 29,06 %).

7. Геохимическое загрязнение приводит к снижению видового разнообразия, что наблюдается в РГ, сформированных под влиянием изменений водного режима территории, засоления субстрата, нефтяного загрязнения субстрата, загрязнения атмосферы.

8. На начальном этапе эксплуатации месторождения (в период строительства объекта, когда большую роль играют механические нарушения биогеоценотического покрова) синантропизация растительного покрова приводит к увеличению видового разнообразия. При длительной техногенной нагрузке (в период эксплуатации объекта, когда происходит поступление и накопление геохимически активных веществ) наблюдается снижение видового разнообразия.

9. Результаты работы имеют практическую значимость, использованы при обосновании зонирования охраняемых ландшафтов «Нижневишерский», «Куединский», имеющих высокую природоохранную ценность, при разработке программы и осуществлении экологического мониторинга ООПТ регионального значения, при разработке программы ведения биотического мониторинга на территории месторождений с особыми условиями хозяйственной деятельности ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».

Список работ Гатиной (Сусловой) Е.Л., опубликованных по теме диссертации:

1. Воронов, Г.А. Особо охраняемые природные территории / Г.А. Воронов,

С.А. Бузмаков, С.Д. Вахрушев, С.Ю. Дворянских, С.А. Кулакова, A.A.

Зайцев, Е.Л. Суслова // Состояние и охрана окружающей среды Пермской

области в 2005 году. Пермь, 2006. С. 143-148.

2. Суслова, Е.Л. Разнообразие растительности на территории Шагирто-

Гожанского месторождения нефти // Мат-лы межд. науч.-практ. конф.

Антропогенная динамика природной среды ! Пермь: ПГУ, 16-20 окт.

2006. Т. 1 С. 320-325.

3. Суслова, E.J1. Влияние нефтедобычи на растительное разнообразие // Докл. Моск. Общ. ипытат. Природы, том 39: Биотехнология - охране окружающей среды. М.: Изд-во «Графикон», 2006, С. 268.

4. Суслова, E.JL Влияние синантропизации растительного покрова на показатели биологического разнообразия фитоценозов в районах нефтедобычи (на примере Пермского края) // Синантропизация растений и животных. Материалы Всероссийской конференции с международным участием (Иркутск, 21-25 мая, 2007 г.). Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2007. С. 199-201.

5. Бузмаков, С.А. Основные задачи исследования биоразнообразия в районах нефтедобычи Пермского края / С.А. Бузмаков, С.А. Овеснов, E.JI. Суслова // Географический вестник ПГУ № 1-2 (5). Пермь: 2007. С. 156-161.

6. Бузмаков, С.А. Сохранение разнообразия растительности на особо охраняемых природных территориях Пермского края в зоне хвойно-широколиственных лесов / С.А. Бузмаков, E.J1. Суслова // Территориальные проблемы охраны природы. Особо охраняемые природные территории. Санкт-Петербург. 2008. С. 328-334.

7. Гатина, ЕЛ. Антропогенная трансформация ботанического разнообразия на территории Пермского края // Проблемы региональной экологии № 5,2009. С. 160-165.

8. Бузмаков, С.А., Оценка изменений ботанического разнообразия при антропогенном воздействии на территории Пермского края / С.А. Бузмаков, E.J1. Гатина // Географический вестник ПГУ №2 (10). Пермь, 2009. С. 33-39.

9. Бузмаков, С.А. Оценка современного состояния особо охраняемой природной территории «Черняевский лесопарк г. Перми» / С.А. Бузмаков, JI.B. Кувшинская, A.B. Жекин, С.А. Кулакова, E.JI. Гатина, A.A. Зайцев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 11 № 1 (3) (27), 2009. С. 408-413.

10. Гатина, Е.Л. Сохранение разнообразия растительности в зоне южнотаежных пихтово-еловых лесов (на примере Пермского края) // Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований. Сборник материалов и тезисов Всероссийской научной конференции с международным участием. Казань 19-21 мая 2009 г. С. 161-165.

11. Гатина Е.Л. Изменение видового разнообразия растительных сообществ при нефтедобыче в Пермском крае // Антропогенная трансформация природной среды: материалы междунар. семинара молодых ученых (1417 декабря 2009 г.). Перм. гос. ун-т. Пермь, 2009. С. 34-42.

Подписано в печать Ь.оЪ, IО , Формат 60x84/16 Усл. печ. л.1,"Ь9. Тираж 100 экз. Заказ ÜO.

Типография Пермского государственного университета 614990. г. Пермь, ул. Букнрева, 15

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гатина, Евгения Леонидовна

Введение.

1. Современные представления о техногенной трансформации видового разнообразия в условиях нефтедобычи.

1.1. Биологическое разнообразие.

1.2. Техногенная трансформация растительных сообществ.

2. Материал и методы исследования.

2.1. Физико-географическая характеристика района исследования.

2.2. Методы исследования.

3 Изменения видового разнообразия растительных сообществ.

3.1. Факторы, определяющие видовое разнообразие растительных сообществ равнинной части Пермского края.

3.2. Пространственные изменения видового разнообразия растительных сообществ.

3.3. Трансформация видового разнообразия во вторичных лесах.

3.3.1. Особенности изменения видового разнообразия во вторичных лесах района средней тайги.

3.3.2. Особенности изменения видового разнообразия во вторичных лесах района южной тайги.

3.3.3. Особенности изменения видового разнообразия во вторичных лесах района хвойно-широколиственных лесов.

3.4. Видовое разнообразие растительных сообществ на территории месторождений нефти.

3.5. Основные закономерности изменения видового разнообразия в условиях нефтедобычи.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Техногенная трансформация видового разнообразия растительных сообществ в условиях нефтедобычи"

На современном этапе перехода к устойчивому развитию (Указ Президента РФ., 1996) одним из приоритетных направлений является сохранение биоразнообразия лесных экосистем. Сохранение биологического разнообразия и устойчивое использование его компонентов определяют поддержание глобальной, региональной и локальной стабильности. Исследования, проводимые в данном направлении, позволят лучше понять, как и под воздействием каких факторов изменяется биоразнообразие.

Производственная деятельность нефтедобывающих предприятий обуславливает существенное воздействие на природные компоненты и комплексы (Пиковский, 1993; Солнцева, 1998; Оборин и др., 2008). Нефтепромыслы располагаются в равнинной части Пермского края и являются фактором техногенных изменений в районах добычи полезного ископаемого, который будет действовать ближайшие 40-60 лет.

Управление взаимодействием общества и природы на основе познанных закономерностей этого процесса позволяет избежать отрицательных техногенных изменений природной среды (Разумовский, 2000).

Несмотря на имеющиеся работы по исследованию флоры и растительности региона (Овеснов, 1997; 2009; Воронов и др., 2005; Иллюстрированный определитель., 2007) и их антропогенной трансформации на территории регионов Российской Федерации (Шилова, 1977; Шилова, 1988; Гашева и др., 1990) и в Пермском крае (Бузмаков, Костарев, 2003; Оборин и др., 2008) современная оценка состояния видового разнообразия растительных сообществ в условиях нефтедобычи для Пермского края остается актуальной. В связи с этим ясна необходимость исследования воздействия нефтедобычи на видовое разнообразие растительных сообществ территорий месторождений нефти, для разработки научно обоснованных решений по нормализации среды обитания на локальном и региональном уровнях.

Цель настоящей работы - выявление закономерностей техногенной трансформации видового разнообразия растительных сообществ в местах нефтедобычи на территории Пермского края.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи.

1. Рассмотреть современные представления о видовом разнообразии растительных сообществ и его трансформации в местах нефтедобычи.

2. Проанализировать современные методы оценки видового разнообразия растительных сообществ.

3. Выявить иерархию факторов окружающей среды, определяющих видовой состав сообществ в равнинной части Пермского края.

4. Исследовать особенности видового разнообразия типичных растительных группировок равнинной части Пермского края.

5. Оценить особенности изменения видового разнообразия во вторичных растительных группировках в равнинной части Пермского края.

6. Определить видовое разнообразие растительных сообществ в местах нефтедобычи.

Методологическая и теоретическая основа исследований. При изучении влияния нефтедобычи на природную среду в данной работе использованы биогеоценологические представления об иерархической пространственной организации природной среды В.Н. Сукачева (1964), представления о трансформации компонентов природной среды, разработанные С. А. Бузмаковым. Работа выполнена с применением геоботанических методов исследования, анализа и обобщения собранных материалов, характеризующих состояние видового разнообразия растительных сообществ. При обработке материалов использованы статистические методы, компьютерные программы и геоинформационные технологии графического представления данных.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Видовой состав растительных группировок равнинной части Пермского края определяется как экологическими условиями (уровнем увлажнения, трофностью местообитания, зональностью), так и техногенным воздействием нефтепромыслов.

2. Современное видовое разнообразие типичных растительных группировок равнинной части Пермского края увеличивается в ряду «средняя тайга - южная тайга - хвойно-широколиственные леса».

3. Видовое разнообразие растительных группировок достигает максимального разнообразия на средних стадиях сукцессии: в мелколиственных и смешанных лесах.

4. Видовое разнообразие растительных группировок на начальных этапах эксплуатации месторождения увеличивается, при длительной техногенной нагрузке наблюдается снижение разнообразия.

Научная новизна. Впервые проведена оценка видового разнообразия растительных группировок в местах нефтедобычи на территории Пермского края. Получены значения индексов разнообразия для типичных растительных группировок и их изменения при техногенном воздействии. Установлена значимость факторов окружающей среды, определяющих видовой состав растительных сообществ в равнинной части Пермского края.

Впервые показаны особенности трансформации растительных группировок, их видового состава и разнообразия, в условиях нефтедобычи на территории Пермского края.

Практическая значимость и реализация работы.

Результаты исследования использованы при обосновании зонирования охраняемых ландшафтов регионального значения «Нижневишерский», «Куединский», при разработке программы и осуществлении экологического мониторинга особо охраняемых природных территорий (ООПТ) регионального значения, расположенных в зоне влияния нефтяных месторождений. Полученные данные использованы при разработке программы ведения биотического мониторинга на территории месторождений с особыми условиями хозяйственной деятельности ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».

Личный вклад автора заключается в сборе и обработке фондовых данных, проведении полевых исследований в 2005 — 2009 гг., обработке материалов полевых исследований, в том числе статистической, обобщении полученных материалов, формировании научных положений и выводов, написании текста диссертации.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на международной научно-практической конференции «Антропогенная динамика природной среды» (Пермь, 2006), международном симпозиуме «Обеспечение экологической безопасности природно-техногенных экосистем, опыт России и Германии» (Берлин, Германия, 2009), международном семинаре «Обеспечение безопасности закрытых полигонов твердых бытовых отходов экологическими методами» (Пермь, 2009), Всероссийском семинаре молодых ученых «Научные чтения памяти Н.Ф. Реймерса и Ф.Р. Штильмарка «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2009), на заседании кафедры биогеоценологии и охраны природы географического факультета Пермского государственного университета.

Публикации. Основное содержание и результаты работы опубликованы в 11 работах, в том числе двух, опубликованных в изданиях перечня ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, библиографического списка, включающего 119 наименований, из них восемь на иностранных языках. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, включает 35 таблиц, 33 рисунка и одно приложение.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Гатина, Евгения Леонидовна

9. Результаты работы имеют практическую значимость, использованы при обосновании зонирования охраняемых ландшафтов «Нижневишерский», «Куединский», имеющих высокую природоохранную ценность, при разработке программы и осуществлении экологического мониторинга ООПТ регионального значения, при разработке программы ведения биотического мониторинга на территории месторождений с особыми условиями хозяйственной деятельности ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».