Антропогенная трансформация растительности в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара (стр. 1 )

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

УДК 581.5.581.526.53(574):528. На правах рукописи

ЛЕОНОВА ЮЛИЯ МИХАЙЛОВНА

Антропогенная трансформация растительности в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара

03.00.05 - Ботаника

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Научный руководитель

д. б.н., проф.

Республика Казахстан

Алматы, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Определения	3
Введение	4
1	Обзор литературы	7
2	Объекты и методы исследований	11
2.1	Объекты исследований	11
2.2	Методы исследований	11
3	Природные условия района исследований	15
4	Факторы антропогенной трансформации и их влияние на растительность	19
4.1	Воздействие на почвы и растительность физических факторов	20
4.2	Воздействие на почвы и растительность химических факторов	24
5	Трансформация флоры района исследований	32
6	Трансформация растительности района исследований	39
6.1	Состояние растительности и загрязнение тяжелыми металлами почв и растений на участках исследований	39
6.2	Обсуждение результатов исследований по комплексному влиянию антропогенных факторов	109
7	Рекомендации по сохранению биоразнообразия, охране и восстановлению растительности	128
Заключение	130
Список использованных источников	132
Приложение А - Список флоры территории, находящейся в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара	144

Определения

В настоящей диссертации применяют следующие термины с соответствующими определениями:

Демутация – смены растительности, происходящие после ее нарушения и идущие в направлении восстановления сообществ прежнего состава [1].

Деградация растительности – процесс ухудшения состояния растительности, сопровождающийся упрощением структуры, потерей биоразнообразия, утратой фитоценотической роли доминирующих видов и, заменой их сорными, потерей функциональной и ресурсной значимости, уменьшением продуктивности как отдельных сообществ, так и территориальных единиц растительности разного ранга [2, 3, 4]. Характеризует необратимый процесс или процесс с длительным периодом восстановления. Деградация растительности обычно связана с деградацией почв и экосистем и характеризуется конвергенцией растительности на ландшафтном уровне, (выражается в сходстве признаков пространственной и фитоценотической структуры, биоразнообразия и физиономичности сообществ) [5].

Деструкция – термин, характеризующий полное уничтожение растительности или других компонентов экосистем, нарушение структуры, функционирования и стабильности растительных сообществ под действием катастрофических, например, техногенных факторов [2, с.12; 5, с.30].

Дигрессия – временное ухудшение состояния растительности (структуры, состава, продуктивности) из-за внешних или внутренних причин [1, с.68;5,с.30].

Растительность, растительный покров – совокупность фитоценозов или растительных сообществ той или иной части земной поверхности или конкретной территории [1, с.150].

Трансформация растительности - изменение раститель­ности в результате воздействия на нее природных и антропогенных факторов, а также стимулированных ими процессов [2, с.12; 5, с.29]. Трансформация может быть как негативной (ухудшение), так и позитивной (улучшение). Антропогенная трансформация растительности (антропогенная нарушенность) выражается в нарушении естественной природной структуры и флористического состава сообществ, приводящих к утрате функциональной и ресурсной значимости. Термин употребляется лишь применительно к спонтанной (естественной) растительности, как показатель стадий ее негативной трансформации [5, с. 29].

Трансформация флоры – изменение флористического состава фитоценозов и растительности территории в целом под воздействием антропогенных факторов, выражающееся в увеличении фитоценотической роли сорных и дигрессионно-активных видов растений [2, с.13].

Тяжелые металлы (ТМ) – свыше сорока элементов химической таблицы с атомным весом, превышающим 50 атомных единиц. Для ТМ характерны: высокая токсичность, мутагенный и канцерогенный эффекты, способность к биоаккумуляции [6].

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Растительный покров является основным автотрофным блоком природных экосистем. В результате хозяйственной деятельности человека происходит трансформация растительности, которая сопровождается нарушением структуры, уменьшением флористического и фитоценотического разнообразия, а также продуктивности сообществ. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению плодородия почв, ресурсной ценности кормовых угодий, а также стимулирует такие негативные процессы, как опустынивание, пыльные бури и т. п.

Растительный покров различных природных зон неоднозначно реагирует на однотипные антропогенные нагрузки и проявляет различную устойчивость к ним. Влияние антропогенных факторов на растительность в различных регионах Казахстана неодинаково и зависит от приоритетов хозяйственного освоения территории. К настоящему времени в Казахстане хорошо изучены антропогенные смены растительности в результате механического воздействия (выпас скота, дорожная дигрессия и т. п.) [2,3,4,8-13]. Реакция же отдельных видов растений на загрязнение промышленными выбросами и трансформация растительности в результате их влияния пока мало исследованы. Это обусловлено как специфичностью набора загрязняющих веществ разных промышленных предприятий, кумулятивным эффектом их воздействия в зоне влияния крупных индустриальных центров, так и разной депонирующей способностью растительности в зависимости от природно-климатических условий территории.

В Павлодарской области функционируют крупнейшие в Республике предприятия теплоэнергетики, металлургической и химической промышленности, которые выбрасывают в атмосферу большое количество загрязняющих веществ, которые оказывают значительное влияние на растительный покров территории, окружающей г. Павлодар [14-25]. Это основном пыль разной степени дисперсности с содержащимися в ней тяжелыми металлами (ТМ) и газовая составляющая. Кроме того, в густонаселенных окрестностях г. Павлодара химическое воздействие на растительность загрязняющих веществ накладывается на комплекс механических/физических факторов (распашка земель, выпас, сенокошение, транспортный сбой и т. п.), что ведет к формированию однотипных длительнопроизводных вторичных сообществ сорных растений, не имеющих ресурсной ценности.

Для сохранения биоразнообразия и восстановления естественного растительного покрова необходимы знания об особенностях сукцессий растительности, реакции отдельных видов флоры на воздействие химических элементов и различных их соединений.

В процессе исследования решались следующие задачи:

· выявить основные антропогенные факторы, оказывающие влияние на растительный покров в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара в радиусе 50 км;

· определить современный состав и особенности трансформации флоры, эколого-биологические особенности и индикационную роль отдельных видов в диагностике факторов антропогенной трансформации;

· оценить современное состояние, особенности состава и пространственной структуры растительного покрова;

· установить сукцессионные ряды трансформации растительности в результате полифакторного – химического и механического – воздействия;

· проанализировать содержание и особенности аккумуляции тяжелых металлов (Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Zn, Cu, Pb, Sr) в почвах, а также в надземных и подземных органах доминирующих видов растений;

· разработать рекомендации по восстановлению растительности территории, сохранению флористического и фитоценотического разнообразия.

Положения, выносимые на защиту:

1 Флористический состав, в частности, доля участия синантропных и рудеральных видов, является индикатором степени трансформации растительных сообществ.

2 Длительное воздействие антропогенных факторов приводит к трансформации растительности, которая выражается в ее ксерофитизации, упрощении флористического состава и структуры сообществ, их пространственной конвергенции и утрате ресурсной ценности.

3 Подверженные воздействию механических факторов (выпаса, дорожной дигрессии и т. п.) растения интенсивнее поражаются веществами, содержащимися в выбросах промышленных предприятий.

Научная новизна работы. Впервые проведено детальное исследование современного состояния флоры и растительности в зоне влияния промышленных предприятий г. Павлодара. Установлен состав и сформирован список флоры района исследований, включающий 250 видов высших растений из 41 семейства и 142 родов, выявлена доля участия синантропных и рудеральных растений. Изучена роль химического загрязнения тяжелыми металлами в трансформации флоры и растительности, установлены сукцессионные ряды антропогенных смен растительных сообществ в различных экологических условиях. Показана индикационная роль отдельных видов растений в диагностике стадий трансформации растительности.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в оценке особенностей состава и структуры растительности, находящейся под длительным воздействием комплекса антропогенных факторов, в том числе, выбросов промышленных предприятий, а также изучении потенциала естественного восстановления флористического и фитоценотического разнообразия в условиях интенсивного антропогенного воздействия.

Практическим результатом работы является инвентаризация флоры, изучение степени антропогенной трансформации растительности, разработка рекомендаций по сохранению биоразнообразия, охране и восстановлению растительного покрова.

Результаты исследований применяются в учебном процессе на кафедре биологии и экологии факультета химических технологий и естествознания ПГУ им. С. Торайгырова, а также могут быть использованы при разработке критериев оценки состояния растительности на антропогенно-нарушенных территориях, находящихся под воздействием промышленных предприятий.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на: Международной конференции, посвященной памяти выдающихся ботаников Казахстана «Исследования растительного мира Казахстана», Алматы, 2006г.; на Международной научной конференции «Биоразнообразие степных сообществ», Костанай, 2006; на Международной научной конференции «Биологическое разнообразие азиатских степей», Костанай, 2007г.; на Международной научной конференции молодых ученых, студентов и школьников «VII Сатпаевские чтения», Павлодар, 2007 год; на Международной научной конференции «Растительный мир и его охрана», посвященной 75-летию ИБФ, г. Алматы; на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования в Казахстане и сопредельных территориях», Павлодар, 2007 год; на Международной научной конференции «Биология: теория, практика, эксперимент», Саранск, 2007; на Международной научной конференции студентов, магистрантов и молодых ученых «Ломоносов - 2008», Астана, 2008 год.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Личное участие автора. Результаты исследований по теме диссертации получены в ходе полевых работ ( гг.), собраны и обработаны лично автором. Сделано более 150 геоботанических описаний. Работа выполнялась в рамках программы очной аспирантуры ПГУ им. Торайгырова.

1 Обзор литературы

Трансформация растительного покрова в результате хозяйственной деятельности человека характерна для многих регионов и стран, но серьезно изучать эту проблему ученые начали с 80-х годов прошлого столетия [8,11].

Первый опыт специальных исследований по проблеме трансформации растительности и экосистем в результате воздействия различных факторов (земледелие, выпас скота, освоение месторождений полезных ископаемых, дорожная дигрессия и т. п.) был получен благодаря работам советско-монгольской комплексной биологической экспедиции ( г. г.), где приняли участие казахстанские геоботаники - и . По результатам работ экспедиции опубликованы методы оценки антропогенной трансформации экосистем в целом и растительности в частности, для разных природных зон (степей, пустынь) и высотных поясов гор [26]. В них также дана комплексная оценка воздействия на степную растительность промышленных выбросов г. Улан-Батора [27]. Эти работы послужили отправной точкой развития методов оценки и картографирования антропогенной трансформации растительности в Казахстане и других странах, а сама проблема стала рассматриваться в области фундаментальных исследований.

В конце 80-х - начале 90-х годов в Казахстане также появились работы, касающиеся трансформации пастбищной растительности [12]. были разработаны методы изучения и картографирования антропогенных смен растительности песчаных пустынь, предложена шкала по оценке степени антропогенной нарушенности растительности [13]. Также появились работы, где рассматривается уже не только пастбищная дигрессия, но и влияние других факторов, в частности, загрязнения радиоактивными отходами на СИЯП, где исследования проводили [28], [28-30]. Это единственные на тот период исследования в степной зоне. В них рассмотрено влияние радионуклидов на растительный покров. Для оценки степени антропогенной трансформации степной растительности под воздействием фактора радиационного загрязнения разработаны критерии нарушенности, учитывающие различные показатели (фитоценотические, радиоэкологические и ландшафтно-геохимические). Впоследствии эти работы продолжены [31] на территории опытного экспериментального полигона «Балапан» бывшего СИЯП и показано, что уровень радиации не оказывает существенного влияния на пространственное распределение и ценотический состав растительности, которые обусловлены элементами рельефа, характером увлажнения и эдафическими условиями. [32,33] изучены анатомические изменения растений, возникшие под воздействием радиоактивного излучения. Также содержание радионуклидов в почвенно-растительном покрове нижнего течения р. Или изучал [34].

В г. г. в лаборатории геоботаники Института ботаники и фитоинтродукции под руководством разрабатывалась тема фундаментальных исследований «Трансформация растительности Казахстана в условиях современного природопользования» [2,3,4]. В рамках этой темы, впервые для Казахстана, разработаны общие критерии оценки трансформации растительности степей, пустынь, гор и долин рек под влиянием различных факторов воздействия, в том числе загрязнения промышленными выбросами, нефтью, радиоактивными отходами и т. п. Главным выводом этого исследования явлется необходимость дальнейшей разработки региональных критериев оценки степени антропогенной трансформации растительности с учетом различных факторов воздействия, специфики природно-климатических условий и показателей устойчивости видов растений и сообществ к ним.

В связи с необходимостью региогнального изучения антропогенной трансформации растительности была инициирована серия новых работ, но, к сожалению, в степной зоне исследований проводилось мало, а тема загрязнения промышленными выбросами практически не затрагивалась.

В степях Костанайской области детально изучала трансформацию растительности [35]. Ею описаны смены под влиянием выпаса и дорожной дигрессии в геми - и петрофитных вариантах сухих степей и геми-, псаммо - и петрофитных вариантах опустыненных степей, а также - ряды пасквальных смен для четырех стадий дигрессии. Также были проведены региональные исследования трансформации степной растительности под влиянием в основном сельскохозяйственного (распашка, выпас) и промышленного освоения [36-40]. Вопросы промышленного загрязнения в них практически не рассматриваются, за исключением некоторых работ [41-42] по воздействию ракетного топлива на растительность, а также и его учеников [6,43-46], касающиеся эколого-биохимической оценки естественных и техногенных ландшафтов Семипалатинского Прииртышья.

Начиная с середины 90-х годов, в Республике, в результате совершенствования экологического законодательства, стали проводиться работы по оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) различных видов планируемой хозяйственной деятельности. Объем таких работ ежегодно увеличивается, но результаты этих исследований редко освещаются в публикациях, особенно по вопросам трансформации растительности. Большая часть таких работ связана с освоением месторождений нефти и газа в Западном Казахстане. Интересны в этом направлении исследования и [47] о влиянии на растительность нефтяного загрязнения и выбросов в атмосферу сопутствующих предприятий на побережье Каспийского моря. Авторы показывают сложность определения реакции растений на загрязнение и говорят о необходимости комплексного ботанического подхода, включая изучение анатомической структуры, морфологических и экологических особенностей конкретных видов растений.

Оценка воздействия промышленных выбросов действующих предприятий проводится только в случае их реконструкции или модернизации. При этом, как правило, рассматривается влияние одного конкретного объекта и не учитывается кумулятивный эффект воздействия комплекса промышленных предприятий больших городов, в том числе и г. Павлодара, одного из крупнейших промышленных центров Республики. В регионе существует ряд экологических проблем, для решения которых необходимы специальные исследования. На территории области оценка влияния промышленных предприятий на окружающую среду, несмотря на экологическую ситуацию, проводится в ограниченном объеме - для составления обоснований, отчетов, при проведении экологического аудита, ОВОС или других, предусмотренных экологическим законодательством, документов. Воздействие на растительность некоторых промышленных предприятий г. Павлодара исследовалось в 90-х годах [14-16], некоторая информация о влиянии промышленности на растительный покров встречается и позже [20,23,48].

По Павлодарской области имеются работы, в которых дана оценка источников промышленных выбросов и основных загрязнителей. В исследованиях [17] рассмотрены основные источники загрязнения атмосферного воздуха г. Павлодара, условия рассеяния и осаждения загрязнителей, среды, воспринимающие их (почва, снежный покров, грунтовые воды, садово-огородная продукция). Дана характеристика элементов, входящих в состав выбросов, сбросов и отходов предприятий, и распределение этих элементов в почвах исследуемого региона. [18] проведено районирование территории Павлодар-Экибастузского ТПК в зависимости от комплексного загрязнения природных сред (атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, снежный покров и поверхностный слой почвы). Установлены территориальные особенности загрязнения по степени и химическому составу. Выявлены наиболее насыщенные металлами участки территории, установлены источники их загрязнения. Авторами указано, что области загрязнения воздуха и почвенного покрова не совпадают при наложении.

В публикациях и (исследования осуществлялись под руководством ) [49-55] рассматривается содержание тяжелых металлов в почвах г. Павлодара и пригорода, и в связи с этим – содержание их в огородной растительности [56].

Целью исследований является экологическая оценка качества среды урбанизированных территорий (на примере г. Павлодара). В работах [57,58] исследуется состояние древесных насаждений города и промышленных зон и возможность использования их в качестве биоиндикаторов.

и др. [59,60] рассматривала состояние растительного покрова территории строительства Электролизного завода, испытывающего сильное антропогенное влияние и в значительной мере трансформированного. Основными факторами деградации растительности названы сельскохозяйственное освоение территории, комплексное техногенное влияние (дорожная дигрессия, химическое загрязнение). [25] изучала процессы накопления аэрозольных частиц на травяном покрове и в почве территории дачного массива г. Аксу (по направлению Аксу – Павлодар). и др. [61] проводились исследования состояния почвы, пастбищной травы, молока коров и др. на территории ПО «Химпром» в связи с разливом ртути, использовавшейся в производственном процессе. В работе , , [62] упоминается о полной трансформации растительного покрова на территории животноводческого комплекса, расположенного в пригороде г. Павлодара, в результате хозяйственной деятельности.

Вопросам оценки флористического разнообразия и ресурсной значимости растительности Павлодарского Прииртышья посвящены работы [63] с соавторами [64]. [65] с соавторами изучали особенности растительного покрова на месте сосновых гарей в Баянаульском государственном национальном природном парке; фитопатологическую ситуацию в г. Павлодаре, в лесных массивах Павлодарской области [66,67]; состав, структуру, ритмы развития и прочие характеристики различных сообществ поймы и в окрестностях города; сорные растения полей Павлодарского района [68]. исследовал флористический состав поймы р. Ертыс в условиях Павлодарской области [69]. Анализом флоры Иртышского флористического округа Восточно-Казахстанской степной провинции занимается [70,71].

[72,73] рассматривает факторы антропогенной трансформации растительности поймы р. Ертыс и их роль в изменении флористического и фитоценотического разнообразия. Флора обследованной территории, по данным автора, насчитывает 160 синантропных растений.

Анализ имеющихся публикаций показал, что трансформация растительности в Казахстане и других странах исследуется в разных аспектах, но при этом мало работ, где оценивается реакция отдельных растений и растительного покрова в целом на загрязнение промышленными выбросами в комплексе с другими факторами воздействия.

В связи с этим нами в период с 2005 по 2009 гг. проведены исследования антропогенной трансформации растительности в зоне влияния промышленных объектов г. Павлодара [74-84] с целью выявления роли различных факторов, в том числе загрязняющих веществ, в изменении структуры растительности и биоразнообразия. Результаты исследований изложены в данной работе.

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объекты исследований

Исследования по оценке степени трансформации растительного покрова проводились с 2005 по 2009 г. г. в зоне влияния промышленных предприятий г. Павлодара в радиусе 50 км от границы города (Рисунок 1).

Объектами исследования являлись флора и растительный покров территории, а также доминирующие виды растений. Изучались состав и структура растительных сообществ, смены растительных сообществ под влиянием антропогенных факторов, в том числе выбросов промышленных предприятий, а также реакция отдельных видов на воздействие загрязнения окружающей среды в зависимости от экологических условий экотопов.

2.2 Методы исследований

Изучение пространственной структуры растительного покрова проводилось детально-маршрутным методом [85] с учетом разнообразия типов местообитаний, элементов рельефа и почвенных разностей. Состояние растительного покрова изучалось на участках (размер - 100м2 - общепринят при изучении травяной растительности), расположенных по векторам - север, юг, восток, запад (Рисунок 1). Всего обследовано 47 участков (находящихся на разных расстояниях от промышленных предприятий региона), в пределах которых проводилось детальное геоботаническое описание растительных сообществ и группировок (с использованием классических методов, принятых при проведении геоботанических исследований) [86]. Описание включало выявление флористического состава, эколого-биоморфологическую характеристику отдельных видов, характеристику вертикальной и горизонтальной структуры, обилия отдельных видов, проективного покрытия почвы растениями. При характеристике экобиоморф мы придерживались классификации [2, с.208]. Экологические условия среды оценивали, используя общепринятые методы [86].