Антропогенная трансформация растительности в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара (стр. 2 )

Для выявления видового состава растительного покрова рассматриваемой территории проводили сбор и определение гербария. Определение видов растений осуществлялось по «Флоре Казахстана»[87] и Иллюстрированному определителю [88], латинские названия видов выверяли по [89]. Данные о местонахождении видов, жизненной форме, корневой системе, отношению к влажности приведены на основании данных различных источников [87,90-93] и собственных наблюдений. Описывали как условно фоновые (слабо нарушенные) сообщества, так и их аналоги, в разной степени трансформированные. Перед началом работ были установлены все имеющиеся на территории факторы трансформации растительности.

Рисунок 1 – Схема района исследований

Оценка степени антропогенной трансформации растительности по отношению к физическим факторам воздействия (выпас скота, дорожная дигрессия, рекреация и т. п.) осуществлялась по разработанной нами 5-бальной шкале:

0 – фоновое состояние – растительное сообщество имеет характерный для естественной растительности набор доминантных и сопутствующих видов, однородную горизонтальную структуру, хорошую жизненность растений;

1 – слабонарушенное – в фитоценозах сохраняется основной доминантный состав видов, в небольшом обилии присутствуют сорные растения (до 10%), жизненность растений удовлетворительная, структура сообщества характеризуется групповым сложением травостоя, имеется слабое локальное нарушение поверхности почвы до 10% площади.

2 – средненарушенное – доминантный состав сообществ сохраняется, увеличивается доля участия сорных растений (до 25%), горизонтальная структура мелкоконтурная, жизненность растений ослаблена, поверхностность почвы нарушена или оголена (более 25%), локально разрушен корковый горизонт; на песчаных почвах наблюдается проявления эоловых процессов;

3 – сильнонарушенное – произошла смена доминантов сорными растениями, участие коренных видов флоры - не более 20% с малым обилием, горизонтальная структура сообщества мозаичная, общий сбой поверхности почв составлет более 25% площади при значительном локальном нарушении коркового и подкоркового горизонтов;

4 – очень сильнонарушенные – сообщество разрушено, характерны разреженные группировки сорных растений, учатие коренных видов единично не более 10%, горизонтальная структура неоднородная, более 50% площади лишено растительности, имеются очаги эрозии и дефляции почв, наблюдается развитие процессов опустынивания и деградации. Выражена конвергенция растительности на ландшафтном уровне.

Антропогенная динамика растительности изучалась методом оценки состояния растительного покрова в одних и тех же сообществах в разные годы и одни и те же сроки (июнь-июль), и последующего сравнительного анализа полученных данных [94]. В процессе камеральной обработки строились ряды смен растительных сообществ, отражающие трансформацию растительности в различных экологических условиях под воздействием комплекса факторов.

На каждом участке рассматривалось влияние загрязнения на почвенно-растительный покров, для этого, помимо выявления при геоботаническом описании внешних признаков воздействия на растения, отбирались пробы почв и растений для химических анализов на содержание тяжелых металлов согласно методическим рекомендациям [95-96].

Пробы анализировались в лаборатории Физико-технического института МОиН РК (п. Алатау, Алматинская область). Определение содержания элементов – Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Zn, Cu, Pb, Sr – в почве и растениях осуществлялось методом рентгенофлюоресцентного анализа (для почвы – с отжигом, для растений – с предварительным озолением) на РФА - спектрометре «Спектроскан GF-1E» (Россия, 2000г/в).

Основным критерием гигиенической оценки опасности загрязнения почвы вредными веществами является ПДК поллютантов в ней. В наших исследованиях проводилось сопоставление зарегистрированных в почве концентраций Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Zn, Cu, Pb, Sr с существующими нормативам ПДК [97-99] (единых нормативов валового содержания рассматриваемых нами металлов в почве в Казахстане на данный момент нет, в основном имеется информация по их подвижным формам).

Вероятность загрязнения почвы повышается с увеличением значения Ко (чем более Ко >1), с повышением класса опасности контролируемых веществ, с уменьшением буферных свойств почвы.

Коэффициент опасности Ко определяли по формуле (1) [100]:

Ко = = (1)

Также нами рассчитан коэффициент биологического поглощения Ах, который определяли по формуле (2) [101]:

Ах = = (2)

Усредненное содержание ТМ в почве рассчитано для каждой пары почвенных проб (0-5см и 10-15см), приведенных в таблицах.

Для биогеохимического опробования и оценки загрязнения территории нами были отобраны такие виды растений, как полынь австрийская (Artemisia austriaca), пырей гребенчатый (Agropyron pectinatum) и лапчатка вильчатая (Potentilla bifurca), поскольку сообщества с их доминированием и участием имеют широкое распространение на территории исследований. Полынь австрийская и пырей гребенчатый приурочены к засушливым местообитаниям, поэтому их ксероморфная структура не способствует аэрогенной аккумуляции загрязняющих веществ. Оба вида достаточно устойчивы к воздействию выпаса. Пырей также является ценным кормовым растением. Лапчатка вильчатая является более влаголюбивой, ее мезоморфная структура способствует аккумуляции загрязняющих веществ, поступающих из воздуха. Полынь и лапчатка отбирались в пробу полностью, а пырей разделяли на подземные и наземные части.

Все эти виды являются дигрессионно-активными и быстро занимают свободные ниши на деградированных участках. В сообществах они часто выступают в роли доминантов или субдоминантов. Они также имеют различную глубину проникновения корневой системы, поэтому могут служить надежными индикаторами загрязнения.

В ходе полевых исследований г. г. выполнено более 150 геоботанических описаний, собрано и определено около 450 листов гербария, отобрано и проанализировано в лаборатории на содержание тяжелых металлов 170 проб почв и 60 - растений.

3 ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Общие сведения. Павлодарская область расположена на крайнем северо-востоке Казахстана, простираясь более чем на 450 км с запада на восток (73º22' - 80º в. д.) и свыше 500 км с юга на север в пределах Кулундинской и Прииртышской равнин, а также Барабинской низменности [102].

Географическое положение. Нашими исследованиями охвачена территория окрестностей г. Павлодара в радиусе 50 км, где также расположен город Аксу с промышленными объектами и многочисленные населенные пункты (Рисунок 1). Согласно Карте природного районирования Северного Казахстана [103], рассматриваемая территория относится к подзоне сухих степей. По данным [104], она относится к Ишим-Кулундинской физико-географической провинции Западно-Сибирской равнины (левобережье – к Силети-Шурексорскому физ-географическому району, а правобережье – к Ажбулатскому). и [105] относят ее к Прииртышской равнине Западно-Сибирской низменности, как и который [106] разделяет ее на Прииртышскую правобережную супесчаную равнину (Западно-Кулундинский и Прииртышский правобережный равнинные природные районы), Прииртышскую левобережную террасовую равнину и пойму Иртыша.

Рельеф. Основные черты рельефа Павлодарской области были образованы в четвертичное время под воздействием эрозионно-денудационных аккумулятивных процессов, связанных с изменением климата, тектоническими движениями и оледенением Западной Сибири. Рельеф территории исследований представлен равнинами разного генезиса, включая надпойменные террасы р. Ертыс. [102, с.409]. Значительная часть правобережья р. Ертыс в пределах рассматриваемой территории относится к повышенной древнеаллювиальной Кулундинской равнине с абсолютными высотами 125-150м и выше над уровнем моря. Она характеризуется увалистым рельефом. По обе стороны р. Ертыс выражены алювиальные равнины на надпойменных террасах I-III уровня. Они преимущественно плоские, слабо расчлененные врезанными сухими протоками, руслообразными западинами, древнестаричными озерками и т. д. Непосредственно примыкающая к современной долине р. Ертыс первая терраса выражена по обоим берегам, ее превышение над руслом составляет 5-6 м. Вторая терраса, шириной в 9-12 км, характеризуется относительным превышением над урезом воды от 15 до 18 м, ее абсолютные высоты составляют около 105-115м. Третья терраса характеризуется относительными превышениями над р. Ертыс в 23-28м, и абсолютными высотами 125-145м. [102].

Современная долина р. Ертыс простирается непрерывной полосой (ширина от 3 до 30 км) с юго-востока на северо-запад через всю Павлодарскую область и участок наших исследований (Рисунок 2). От высоких надпойменных террас современная долина реки отделяется достаточно выраженным уступом, высота которого по правому берегу достигает 25-50м. В рельефе долины различаются: русло реки и ее протоков и затопляемая пойма шириной 12-15 км.

Рисунок 2 – Ландшафтная структура района исследований

Геология. Наиболее широко распространенными почвообразующими породами являются древнеаллювиальные пески, супеси и легкие суглинки, ими занята почти вся Прииртышская равнина. На правобережной равнине они имеют мощность порядком 8-10м и более, а на левобережье, на небольшой глубине, уже с 1,5-2м, подстилаются песчано-галечниковыми отложениями. Глубже в обоих случаях залегают третичные глины, которые служат водоупором [106, С.15-19].

Первая надпойменная терраса сложена суглинками и глинами; вторая - преимущественно разнозернистыми песками с гравием и галькой мощностью в 5-10м, залегающими на цоколе из третичных глин. Характерно присутствие гравия и гальки уже на поверхности равнины [102, с.409-413]. Третья терраса характеризуется повышенным залеганием третичного цоколя глин палеогенового возраста и несколько меньшей, чем на II террасе, мощностью песчано-галечниковых отложений [102, с.420].

Древнеаалювиальная Кулундинская равнина сложена аллювиальными нижнечетвертичными отложениями мощностью в 10-15м, представленными преимущественно разнозернистыми песками, с гравием и иногда с мелкой галькой [102, с.413]. Залегают эти осадки на размытой поверхности плиоценовых отложений и почти всюду перекрыты покровными песками и лессовыми супесями мощностью от 1 до 8м.

Пойма р. Ертыс сложена в основном песками и супесями, для I террасы характерны суглинки и глины [102, с.409-420; 106, с.11,14].

Климат. Резкая континентальность климата Павлодарской области выражается в крайне большой амплитуде температур между зимними и летними месяцами и в том, что наибольшее количество осадков выпадает в теплое время года [102,с.382; 106,с.20]. Так, по данным метеостанции г. Павлодара, средняя температура января составляет -18,5°С, средняя температура июля +21,5°С. Абсолютный минимум температуры составляет -47°С, максимум +40°С. Зимний период длится около 200 дней, период активных температур свыше +10°С составляет 140 дней. Наибольшая облачность отмечается в холодное полугодие (вероятность пасмурного неба - 40-70%), летом вероятность ясных дней - до 70%. Осадков за год выпадает 260мм, из них в мае-июле - 104мм, испаряемость в этот период в несколько раз превышает количество осадков. Дефицит влажности изменяется от 0,1-1,5 (декабрь-февраль) до 10-13 (май-июль). Ветра в регионе практически постоянны; преобладают ветра южных (ЮЗ, Ю, ЮВ) и западных румбов. На штили приходится незначительная часть времени в течение года.

Гидрология и гидрография. Главная водная артерия Павлодарской области и района наших исследований - река Ертыс, протяженность ее в пределах области - 720 км. Ширина русла Ертыса вблизи г. Павлодара - от 429 до 800м, толща воды - 4,5-6,5м, в паводковый период ширина русла – м. Основной объем стока в пределах среднего течения реки поступает из водосбора Верхнего Иртыша (до 65%). Ертыс имеет смешанное питание, в верховье – ледниковое; замерзает река в середине ноября – начале декабря. Наибольшая толщина ледового покрова составляет 115 см, средняя продолжительность его стояния – 130-155 дней. Ледоход начинается в середине апреля и заканчивается в начале мая. Течение реки спокойное, средняя скорость при среднем уклоне 0,00060/00 составляет 1,2 м/с. Берега, особенно правый, подвергаются разрушению [102, с. 409; 106,с. 11-14].

Гидрогеология. Грунтовые воды района исследований относятся к Прииртышскому бассейну [106, с. 23]. Они сосредоточенные в осадочных породах различной водопроницаемости (глина, песок, галька). Как правило, они пресные и слабосоленые (от 1-3 г. соли на 1л), с глубиной залегания от 30см до 15м и характеризуются различной степенью минерализации, химическим составом и условиями залегания. По химическому составу преобладают сульфатно-гидрокарбонатные магниево-кальциевые, хлоридно-сульфатные натриево-магниевые и сульфатно-хлоридные натриево-магниевые пресные воды. Также встречаются соленые воды содовохлоридно-сульфатного химизма.

Почвы и почвенный покров. Согласно данным «Природного районирования Северного Казахстана» [102,с.409-420], территория исследований относится к степной зоне, подзоне сухих типчаково-ковыльных степей на темнокаштановых и каштановых почвах. Здесь выделяется 4 природных района [106, с.11-14]: прииртышский правобережный равнинный сухо-степной «легких» темнокаштановых и лугово-каштановых, местами луговых (остепненных) глубоковскипающих почв; грязновский равнинный лугово-степной, суглинистых и супесчаных луговато-каштановых почв и солонцово-лугово-каштановых комплексов; тарактинский равнинный сухо-степной, супесчаных и легкосуглинистых темнокаштановых почв (незначительная территория); иртышский долинный луговой, пойменных почв.

Почвенный покров неоднороден, часто почвы залегают в виде комплексов или сочетаний друг с другом, а местами создают пятнистость. Для описываемой территории характерны [102,106,107] большей частью темнокаштановые почвы (маломощные и среднемощные, глубоковскипающие, остаточносолонцеватые или слабосолонцеватые). В меньшей мере - лугово-каштановые (нормальные, глубоковскипающие, осолоделые, слабосолонцеватые) и каштановые (маломощные), часто - в комплексе с солонцами степными мелкими и средними солончаковатыми и солончаковыми. По механическому составу почвы правобережья супесчаные и песчаные, на левобережье – суглинистые, легкосуглинистые, но встречается и супесь. В пределах поймы р. Ертыс – почвы аллювиальные.

По данным Павлодарского НИИСХ [108], почвы рассматриваемой нами территории определяются как каштановые глубоковскипающие маломощные и среднемощные (супесчаные и легкосуглинистые). Почвы города и пригорода характеризуются [52, С.171] следующими физико-химическими свойствами: содержание гумуса – 1,26-1,97%, ила – 7,02-12,24, физической глины – 2,10-5,66, сумма фракций физической глины – 10,58-20,58, содержание карбонатов (на глубине 85-140см) – 1,34-4,66%, рН водной вытяжки – 6,66-6,94.

4 Факторы антропогенной трансформации и их влияние на растительность

Тенденции развития растительного покрова отдельных территорий определяются действием взаимообусловленных природных и антропогенных факторов. При научных исследованиях, как правило, большое внимание уделяется изучению природных факторов, играющих роль в формировании растительного покрова, а антропогенные - выявляют выборочно, в основном - преобладающие. Такой подход не совсем верен, так как на растительность любой территории одновременно оказывает воздействие комплекс факторов, а ее состояние и устойчивость зависит от их общего эффекта.

При выявлении факторов воздействия нами использовалась обобщенная классификация, разработанная сотрудниками лаборатории геоботаники Института ботаники и фитоинтродукции для территории Казахстана [2, с. 34], согласно которой выделяют следующие виды воздействия на растительный покров (Таблица 1), способные привести к его трансформации.

Таблица 1 - Основные факторы трансформации растительности и характер их распространения

Факторы воздействия	Объекты	Характер распределения
Сельскохозяйственные
Пастбищное использование	Пастбища, места содержания скота, водопункты	Площадное, локально-точечное
Сенокошение	Сенокосы	Локально-площадное
Земледелие (распашка)	Поля, огороды	Площадное
Лесохозяйственное	Лесополосы, сады и т. п.
Техногенные
Химическое загрязнение	Почвы, растительность	Площадное
Транспортное воздействие	Дороги	Линейно-мелкоплощадное
Строительство и эксплуатация ЛЭП	ЛЭП и прилегающие территории	Линейное, точечное
Прочие
Гидротехнические сооружения	Каналы, водохранилища и т. п.
Селитебное воздействие	Населенные пункты хозяйственные объекты и т. п.	Локально-площадное, диффузное
Рекреация	Территории, служащие для отдыха населения	Локальное, диффузное, мелкоплощадное
Пожары	Поля, пастбища, сенокосы и т. п.	Площадное

Эта классификация широко используется для оценки состояния растительного покрова и детализируется авторами с учетом особенностей конкретной территории [74,с.117;109;110], но, прежде чем подойти к детализации, необходимо установить источники воздействия.

4.1 Воздействие на почвы и растительность механических факторов

Сельскохозяйственное воздействие. Основными факторами этого типа воздействия на растительный покров в районе исследований являются распашка земель и перевыпас скота.

В настоящее время в радиусе 50 км от г. Павлодара значительные площади занимают залежи, представленные антропогенно-производными группировками растительности, формирующимися на трансформированных в результате многолетней распашки темнокаштановых почвах. Многие участки земель на данный момент выведены из севооборота, в связи с чем наблюдается процесс естественного восстановления залежей (демутация). В зависимости от возраста залежей и экологических условий конкретного участка (рельеф, почвы и т. п.) растительность находится в различных стадиях зарастания. На залежах 1-3-летнего возраста формируются пионерные группировки сорных, преимущественно одно - и двулетних видов растений - бурьянистая стадия (Atriplex sagittata, Chenopodium album, Amaranthus retroflexus, Xanthium strumarium, Kochia scoparia, Capsella bursa-pastoris, Berteroa incana). В этом случае не наблюдается особой дифференциации видов по экологическим условиям. На стадии 4-6 лет доминируют сорные виды полыней (Artemisia austriaca, A. absinthium) и происходит постепенная инвазия видов аборигенной флоры (Stipa capillata, Stipa lessingiana, Festuca valesiaca и др.), которые занимают свои экологические ниши и образуют в итоге растительные сообщества, по составу и структуре близкие к коренным. Средняя продолжительность восстановления естественных условно-коренных степных сообществ (разнотравно-ковыльных, типчаково-ковыльных и т. п.) по имеющимся данным [111] составляет достаточно длительный период (более 25-30 лет).

На участках пашни имеет место земледельческая деградация почв, которая связана с уменьшением содержания гумуса (важнейшего показателя уровня естественного плодородия почв). Это обусловлено смывом и выдуванием гумуса в составе мелкозема, вертикальной миграцией в нижележащие горизонты, минерализацией его и выносом элементов питания с урожаем сельскохозяйственных культур. Кроме того, пахотные почвы, лишенные естественной растительности, становятся подверженными усиленному проявлению процессов дефляции и водной эрозии.

Для всей описываемой территории характерен неконтролируемый выпас скота, он имеет место и на большей части обследованных нами участков. Отсутствие пастбищного воздействия зафиксировано лишь на значительном удалении от селитебных зон и в непосредственной близости от промышленных предприятий (чаще в пределах 1,0-1,5 км). Последствия нерегламентированной пастбищной нагрузки выражаются в значительном обилии в составе сообществ непоедаемых ядовитых и сорных растений, таких, как полынь австрийская (Artemisia austriaca) и эбелек (Ceratocarpus arenarius).

Земледельческий и пастбищный факторы относят к площадному типу воздействия. Как правило, выпас менее разрушительно влияет на растительность, чем распашка, при умеренном воздействии нарушения, вызванные им, могут являться потенциально обратимыми.

Сенокошение – локально-площадной тип воздействия, на территории наших исследований отмечается в пределах поймы р. Ертыс, особенно в левобережной части и, незначительно, на остальной территории (нерегламентированное и бессистемное – для нужд населения). Состояние сенокосов усугубляет также выпас скота ранней весной и по отаве.