Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы биондикации загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами 11
1.1. Теоретические основы биоиндикации 11
1.2. Общие закономерности накопления тяжелых металлов в растениях и почвах 15
Глава 2. Методика исследований .30
2.1. Методика полевых исследований .30
2.2. Методика камеральных и лабораторных исследований .38
Глава 3. Физико-географические условия и природные факторы формирования химического состава почв и растений
3.1. Геологическое строение и рельеф 43
3.2. Климат и природные воды 49
3.3. Почвы 54
3.4. Растительность 68
Глава 4. Источники антропогенного загрязнения и изменение химического состава почв под влиянием техногенеза
4.1. Общая характеристика основных источников загрязнения .80
4.2. Особенности изменения химического состава почв на антропогенно нарушенных территориях
4.2.1. Особенности химического состава почв в районе Сибайского филиала ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» 83
4.2.2. Особенности химического состава почв в районе месторождения Юбилейное .89
4.2.3. Особенности химического состава почв и его изменение в зоне воздействия Семеновской золотоизвлекательной фабрики 93
Глава 5. Биоиндикаторы воздействия горнорудных предприятий на природно-территориальные комплексы башкирского Зауралья .96
5.1. Химический состав растений 96
5.1.1. Химический состав растений в условиях естественных геохимических аномалий (фоновая территория) 96
5.1.2. Изменение химического состава растений в зоне воздействия горнорудных предприятий 107
5.1.3 Динамика изменения химического состава растений в зоне воздействия горнорудных предприятий 117
5.2. Морфологическая изменчивость растений в зоне воздействия горнорудных предприятий 120
5.3. Флористические и фитоценотические показатели трансформации природно-территориальных комплексов в зоне воздействия горнорудных предприятий .131
Глава 6. Оценка состояния природно-территориальных комплексов методами биоиндикации 141
Заключение 152
Список литературы
- Общие закономерности накопления тяжелых металлов в растениях и почвах
- Методика камеральных и лабораторных исследований
- Климат и природные воды
- Химический состав растений в условиях естественных геохимических аномалий (фоновая территория)
Введение к работе
Актуальность проблемы. Территория Башкирского Зауралья (Южный Урал) представляет собой разнообразную в ландшафтно-геохимическом отношении систему. Ее особенность заключается в формировании естественных геохимических аномалий, обусловленных геологическими факторами (Виноградов, 1963; Перельман, 1975; Ковальский и др. 1981; Глазовская, 1988; Ковалевский, 1989; Добровольский, 2003; Максимович, Хайрулина, 2011 и др.). Разработка и эксплуатация полиметаллических и медноколчеданных месторождений на протяжении многих лет привела к образованию техногенных провинций, которые выделяются на фоне современного геохимического состояния биосферы. Одними из крупных горнорудных предприятий в данном регионе являются Сибай-ский филиал Учалинского ГОК (СФ УГОК), ООО «Башкирская медь» и Семёновская золотоизвлекающая фабрика, которые оказывают значительное влияние на окружающую среду, проявляющееся как в загрязнении окружающей среды различными поллютантами, так и изменении рельефа территорий, видового состава растительности, истощением почвенного покрова и пр. В связи с этим, наиболее актуальными в данном регионе становятся исследования антропогенного прессинга на окружающую среду. Большое значение приобретает корректная геоэкологическая оценка трансформации природных комплексов под влиянием горнорудных предприятий, которую наиболее адекватно может дать комплекс методов биоиндикации. Биоиндикационные исследования позволяют определить степень нарушенности природно-территориальных комплексов (ПТК) и их изменение под воздействием антропогенного и техногенного загрязнений. При этом, с учетом того, что для территории исследования характерно развитие естественных геохимических аномалий, обусловленных геологическим строением, в данных условиях крайне сложно выделить антропогенную составляющую формирования химического состава растений. Единственным способом является сравнительный анализ ситуации в различные временные и пространственные отрезки.
Наиболее значимым при оценке состояния окружающей среды принято считать загрязнение тяжелыми металлами (ТМ), уровень содержания которых в компонентах природной среды необходимо контролировать при геоэкологическом мониторинге (Башкин, Касимов, 2004; Рудский, 2013; Ермаков, 2015 и др.). Для оценки трансформации ПТК наиболее показательным и быстро реагирующим на изменение природных факторов окружающей среды и антропогенное воздействие является растительный покров. Ведущими при определении характера растительности в конкретных условиях окружающей среды являются физико-химические особенности почв. На этом основании данные компоненты ландшафта использовались в качестве индикаторов изменения экологического состояния региона.
Особенности миграции и концентрации химических элементов в компонентах природных ландшафтов Южного Урала детально изучались многими
научными коллективами (Глазовская, 1963; Скарлыгина-Уфимцева, 1976; Ковальский и др., 1981; Опекунова, 1987, 2002, 2003, 2013; Алексеева-Попова 1991; Мовчан и др., 1998; Алексеева-Попова, 1998; Шагиева, 2002; Глазовская, 2007; Янтурин и др., 2009; Баимова, 2009; Сингизова, 2009; Семёнова, и др. 2011; Зул-карнаев, 2012; Суюндуков и др. 2013; и др.).В 1978–1983 гг. биогеохимической лабораторией ГЕОХИ им. В. И. Вернадского совместно с Ленинградским государственным университетом в Южно-Уральском субрегионе биосферы (Баймак-ский и Хайбуллинский районы Республики Башкортостан, Орский и Гайский районы Оренбургской области) проводились комплексные биогеохимические исследования, результаты которых позволяют провести сравнение и анализ изменения экологической обстановки за истекшие 35 лет.
Исходя из вышесказанного цель данной работы заключается в определении наиболее информативных биоиндикационных показателей для оценки антропогенного изменения ПТК в зоне воздействия горнорудных предприятий.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
выявление основных факторов, обусловливающих трансформацию ПТК в зоне техногенного воздействия, на различном удалении от предприятий горнорудного производства;
-
изучение химического состава почв и растений в фоновых условиях естественных геохимических аномалий и на антропогенно загрязненных участках по мере приближения к объектам горнорудного производства;
-
выявление видов растений — индикаторов антропогенного и техногенного нарушений ПТК в зоне воздействия горнорудных предприятий;
-
определение значимости морфологических признаков растений при оценке техногенного загрязнения ПТК;
-
изучение видового состава и структуры растительных сообществ и их изменения в условиях антропогенного воздействия на ПТК методом корреляционных плеяд.
Фактический материал. Данная работа основывается на материалах, собранных в течение полевых сезонов 1998–2015гг. на территории Баймакского района и в окрестностях г. Сибай (Республика Башкортостан) сотрудниками и студентами кафедры геоэкологии и природопользования факультета географии и геоэкологии (ныне Институт наук о Земле) СПбГУ при личном участии автора. В работе использованы анализы более 2300 проб почв и растений, материалы 410 геоботанических описаний, включающих 300 видов растений. Для сравнительной оценки изменения природных комплексов под влиянием нарастающей антропогенной нагрузки были использованы результаты исследований 1978–1983 гг., полученные Биогеохимической лабораторией ГЕОХИ им. В.И. Вернадского совместно с Ленинградским государственным университетом на территории Башкирского Зауралья.
Научная новизна работы. Впервые была проведена сравнительная оценка индикаторной значимости различных биологических параметров и обоснован комплекс наиболее информативных характеристик для определения
трансформации ПТК под влиянием горнорудного производства. На основе сопряженного исследования состояния растительного и почвенного покровов с применением методов биоиндикации дана комплексная оценка изменения природных комплексов под влиянием антропогенной нагрузки в Башкирском Зауралье. Сравнительный анализ результатов исследований в течение ряда лет (1978– 1983 гг. и 1998–2015 гг.) позволил выявить основные направления трансформации природных комплексов в зоне воздействия горнорудных предприятий. С помощью метода дендритов показано изменение корреляционных связей между видами в фитоценозе.
Практическая значимость. На основе результатов многолетних исследований предложен комплекс биоиндикаторов состояния природных комплексов в зоне воздействия предприятий горнодобывающей промышленности, который может быть использован при проведении геоэкологического мониторинга состояния окружающей среды в данном районе. Результаты ландшафтно-геохимических и геоэкологических исследований с применением методов биоиндикации переданы в Сибайское территориальное управление охраны окружающей среды Республики Башкортостан. Даны рекомендации по оптимизации размещения некоторых производственных объектов, рациональному водопользованию и перепрофилированию агропроизводства.
Основные защищаемые положения.
-
Показателями техногенного загрязнения ПТК при разработке медноколчедан-ных руд на территории Башкирского Зауралья является изменение химического состава полыни австрийской Artemisia austriaca Jacq. (концентратор Cu, Zn, Pb, Cd), шалфея степного Salvia stepposa Shost. (концентратор Cu, Zn и Fe) и чабреца Маршалла Thymus marschallianus Willd. (концентратор Zn, Pb и Fe). Химический состав растений исследованной территории, соотношение валового содержания и подвижных форм ТМ в почвах позволяют проследить нарастание антропогенного воздействия на ПТК.
-
По результатам факторного анализа основными факторами, влияющими на экологическое состояние степных ПТК Башкирского Зауралья в условиях естественных геохимических аномалий, наряду с удаленностью от источников загрязнения и интенсивностью антропогенного воздействия являются положение в элементарном геохимическом ландшафте, гидрометеорологические условия, а также зональность вторичных ореолов рассеяния.
-
Морфологическая изменчивость видов растений, широко распространенная как на фоновых, так и на антропогенно нарушенных территориях, может быть использована в качестве показателя техногенного загрязнения ПТК только в совокупности с биогеохимическими критериями.
-
Рост техногенного загрязнения привел к изменению корреляционной структуры растительных сообществ с подчинением ковыльных степей типчаковой формации, распространению растительности нарушенных местообитаний на горные вершины и склоны и широкому участию видов — концентраторов ТМ в составе вторичных сукцессий.
Личный вклад автора. Работы по оценке экологического состояния территорий Южного Урала проводились в 2002–2005 гг. и 2013–2015 гг. Они выполнены при поддержке проектов ФЦП «Интеграция» № 326.69 «Поддержка и развитие Учебно-научного центра “Современные методы оценки экологического состояния окружающей среды” на базе СПбГУ и Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН» (1997–2001 гг.), № Б0038 “Современные методы оценки экологического состояния окружающей среды” на базе СПбГУ и Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН» (2002–2004 гг.), проекта СО.125 «Поддержка полевой практики по геоэкологии “Оценка экологического риска в районах разработки рудных месторождений”», программы «Университеты России – фундаментальные исследования» УР.08.01.024 «Биогеохимическая оценка экологического состояния окружающей человека среды в природно-техногенных аномалиях». Автор принимал участие в полевых исследованиях, выполняемых кафедрой геоэкологии и природопользования Института наук о Земле на Южном Урале. Самостоятельно или под руководством научного руководителя проведены отбор проб, геоботаническое описание, подготовка и химический анализ проб почв и растений, выполнена экспериментальная, камеральная и математическая обработка материалов с применением ГИС-технологий, сформулированы основные результаты работы.
Структура и объем работы. Работа общим объёмом 150 страниц состоит из 6 глав, введения и заключения, 9 приложений, содержит 55 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 220 источников.
Общие закономерности накопления тяжелых металлов в растениях и почвах
Цинк в растениях участвует в окислительно-восстановительных процессах, стабилизирует воздушный обмен, влияет на фотосинтез, помогает превращению соединений, содержащих сульфгидрильные группы, играет важную роль в фосфатном и углеводном обмене, способствует синтезу нуклеиновых кислот и белка, регулирует синтез крахмала, оказывает положительное влияние на процесс плодоношения и рост семян. Формы поглощения цинка различны – Zn+2 и его гидратированные формы, хелаты. Скорость поглощения цинка колеблется в зависимости от вида растений и условий среды. При его избытке наиболее типичным заболеванием является хлороз, который, однако, проявляется в зависимости от культуры, возраста растения, почвенных и климатических условий (Бингам и др., 1993). Отмечена ограниченность поглощения цинка сельскохозяйственными растениями (Сает и др., 1986; Кабата-Пендиас, 1989).
Естественное содержание свинца в почвах наследуется от материнских пород. Однако из-за широкомасштабного загрязнения свинцом большинство почв, особенно их верхние горизонты, обогащены этим металлом. Свинец в растениях присутствует постоянно, но содержания его обычно невелики (Глазовская, 1988). Наиболее токсичными признаны различные органические соединения свинца (тетраэтилсвинец и др.). Исследования А. И. Перельмана указывают на незначительную биологическую активность свинца (элемент слабого захвата) (Перельман, 1975). Важен вывод Ю. Е. Саета о том, что степень биологического поглощения свинца обратно пропорциональна его содержанию в окружающей среде (Свинец.., 1987). Растения поглощают свинец не только корнями из почв, но и листьями из атмосферы, иногда до половины содержащегося в них элемента. Резкое увеличение поступления свинца в геосферу в результате производственной деятельности человека привело к усложнению законов миграции этого металла, отчасти к нарушению его естественного круговорота. Все виды деятельности человека вбрасывают в окружающую среду свинец со скоростью, в 100 раз превышающую скорость естественного поступления металла. Никель является одним из основных компонентов загрязнения окружающей среды ТМ. Поглощение никеля растениями определяется не общим его содержанием в почве, а количеством обменного Ni, уровень которого возрастает с повышением кислотности почвы. В обычных концентрациях этот элемент оказывает благотворное действие на рост растений. При недостатке железа в растениях никель вызывает хлороз, с его избытком также связываются снижение фиксации азота, подавление процессов фотосинтеза и транспирации (Кабата-Пендиас, 1989). Избыток никеля замедляет поступление железа от корней к надземной части. В общем, считается, что доступность никеля для растений снижается при повышении рН почвы (Бингам и др., 1993).
Содержание кадмия в магматических и осадочных породах не превышает 0,3 мг/кг. Данный элемент концентрируется в глинистых осадках и сланцах. Геохимия кадмия тесно связана с геохимий цинка. Кадмий образует соединения, изотипичные таким катионам, как Zn2+, Co2+, Ni2+, Fe2+. Растворимые формы кадмия в почве всегда легко доступны растениям. Заметная доля этого микроэлемента поглощается корнями пассивно, а также метаболическим путем. Известно, что бльшая часть кадмия локализуется в тканях корней, даже если она попадает в растения через листья. Обнаружена прямая зависимость между его содержанием в растениях и средой их обитания, что свидетельствует о высоком биологическом поглощении кадмия.
Кобальт определяет мителирование и фиксацию азота, влияет на рост растений, однако в особо высоких концентрациях ( 30 мг/кг) вызывает омертвление листьев, уродливость и бесплодность (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Алексеева-Попова, 1991; Дроздова и др., 2014).
Формирование химического состава растений, в частности определенного уровня содержания в них ТМ, обусловливается несколькими факторами: — общим содержанием отдельных ТМ в почвах; — относительным содержанием в почвах усвояемых растением форм ТМ; — физиологической ролью каждого ТМ и в связи с этим — характером распределения их по органам растения. На основании обобщения исследований, проведенных на разных объектах и базировавшихся на разных показателях, построен ряд относительной токсичности металлов, который справедлив в большинстве случаев для многих растительных объектов: Cu Ni Pb Cd Zn Hg Fe Mo Mn (Методические вопросы.., 1998).
Как отмечалось выше, ТМ поступают в растения в ионной форме, а также в виде элементорганических соединений. В поглощении участвуют следующие процессы: катионная обменность корневой системы; перенос внутри клеток хелатообразующими веществами или другими носителями; действие ризосферы, изменение pH окружающей корни среды. В нормальных условиях на почвах со средним содержанием микроэлементов растения легко регулируют процессы поглощения и выделения ионов или комплексных соединений с металлами, так как сам почвенный субстрат благоприятствует обычному ходу ассимиляции и диссимиляции. При резком обогащении почв металлами создается особый геохимический режим, благодаря которому в среде увеличивается общее количество обменных и растворимых форм микроэлементов. В этих условиях растения испытывают воздействие конкурирующих ионов, причем решающее значение приобретают ионы, находящиеся в избытке в подвижном состоянии (Малюга, 1963).
Аккумуляция ТМ отдельными органами растений обусловлена природой металла, биологическим сродством, физиологическими функциями и жизненным состоянием отдельного органа (Лянгузова, 1990). Степень влияния общего химического состава почвы обусловливается совместным влиянием элементов. Сбалансированность химического состава живых организмов – основное условие их нормального роста и развития (А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас, 1989).
Для оценки интенсивности вовлечения химических элементов в биологический круговорот А. И. Перельман предложил использовать коэффициент биологического поглощения — отношение содержания элемента в растениях к его содержанию в подстилающей горной породе или в почве (Перельман, 1975).
Методика камеральных и лабораторных исследований
Для выявления основных процессов, протекающих в почвах, и определения их роли в миграции ТМ выполнены основные физико-химические анализы почв по общепризнанным методикам (Аринушкина, 1970; Опекунова и др., 2015): pH – потенциометрически, общее количество гумуса по методу И. В. Тюрина, механический состав – по методике Н. А. Качинского с применением пипеточной установки. Анализ образцов почв и растений проводился в учебно-методической лаборатории кафедры геоэкологии и природопользования СПбГУ.
Валовое содержание Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Cd и Pb в почвах и растениях и их подвижные формы, извлекаемые из почвы аммонийно-ацетатным буфером при рН 4,8 (ГН 2.1.7.2041-06), были определены методом атомно-абсорбционной (относительная погрешность метода — 8–10%, относительная ошибка определения 5–10%). Предел обнаружения ТМ (концентрация в пробе, мг/кг): Cu — 0,02; Zn — 0,02; Pb — 0,1; Cd — 0,02; Co — 0,02; Cr — 0,1; Fe — 0,15; Mn — 0,04; Ni — 0,015. Подготовка проб почв и растений к определению содержания ТМ осуществлялась методами сухого озоления и кислотного разложения. Пробы растений (3–5 г) для анализа ТМ предварительно озолялись в муфельной печи при температуре 450–5000 С. После охлаждения в эксикаторе, чашки с золой взвешивали. На этом этапе рассчитывалась зольность по формуле: % золы = (В-А) /С 100, где А – вес чашки, г; В – вес чашки с золой, г; С – навеска абсолютно сухого материала.
Зольность является одной из важных характеристик, определяющих особенности и интенсивность минерального обмена растений со средой обитания. Ее величина зависит от химизма окружающей среды и биологических особенностей видов. Средняя зольность растений составляет 3–5 %. В условиях антропогенного загрязнения зольность растений значительно возрастает, что является индикаторным признаком происходящих нарушений в массобомене. Кроме того, величина зольности необходима при проведении аналитических исследований – для перерасчета содержания микроэлементов, определенных в золе, на сухое вещество.
Анализ содержания ТМ в подготовленных вытяжках проб почв и растений был проведен в Ботаническом институте им. В. Л. Комарова РАН инженером А. И. Беляевой. Кроме того, валовое содержание микроэлементов в почвах было определено в лаборатории спектрального анализа ВНИИОкеангеология следующими методами: атомной абсорбции (Со, Ni, Cu, Cd, Pb, Hg); эмиссионным спектральным (Sc, Ti, Cr); рентгено-флуоресцентным (Zn, Mn, As).
Математическая обработка данных была осуществлена на компьютере IBM PC в среде Microsoft Office, 2002–2013. Расчет среднего арифметического, дисперсии, среднего квадратического отклонения, коэффициента вариации, асимметрии и эксцесса производился по стандартным формулам. Корреляционная связь между параметрами рассчитывалась с помощью коэффициента ранговой корреляции Спирмена. Достоверность сходства содержаний ТМ определялась с помощью критерия F-Фишера и t- критерия Стьюдента. Факторный анализ осуществлялся методом главных компонент (Чертко, 1987). Данные, полученные при изучении изменчивости морфологических признаков ценопопуляций Valeriana dubia Bunge, обрабатывали вариационно-cтатистическим методом (Плохинский, 1970). Уровни варьирования морфологических признаков были приняты по Г. Н. Зайцеву (1970): V 20% - высокая степень, V=11-20% - средняя степень и V 10% - низкая степень варьирования. Оценку организменных и популяционных характеристик производили по методу, предложенному П. Б. Заугольновой с соавторами (1995). При выделении возрастных состояний особей, численности и плотности ЦП использовали методические разработки Т. А. Работнова (1950) и А. А. Уранова (1960) (Работнов, 1950; Уранов, 1960).
Для оценки существующей в настоящее время структуры связей между видами растений в исследованных ПТК и их изменения под влиянием антропогенной нагрузки был использован метод корреляционных плеяд (Нешатаев, 1976, 1987; Терентьев, 1959). Для выявления корреляционных связей вычислен коэффициент взаимной сопряженности Бравэ (KB) (при уровне значимости Р=0,05%) по формуле: где а – число совместных встреч, N – общее количество проб, анализируемых пробных площадей фитоценозов, M1 – количество описаний, где присутствует первый вид, –M1 – количество описаний, где он отсутствует; затем соответственно количества описаний: M2 – где присутствует второй вид и -M2 – где его нет.
Коэффициент сопряженности представляет собой частный случай коэффициента корреляции (r), используемого при анализах качественных признаков. Применительно к совокупности фитоценозов одним из таких признаков является присутствие, или отсутствие в них того или иного вида растений. С целью выявления групп взаимосопряженных видов (плеяд) проведена сортировка всех коэффициентов по типу (положительная или отрицательная) и по уровню связи. В основе приемов объединения видов в плеяды по коэффициенту сопряженности лежит метод линейной корреляции или максимального корреляционного пути, предложенный Л. К. Выханду (Выханду, 1964).
Сравнение полученных результатов проводилось с ориентировочно-допустимыми концентрациями (ОДК, ГН 2.1.7.2511-09), предельно-допустимыми концентрациями (ПДК, ГН 2.1.7.2041-06), локальным фоном, региональным геохимическим фоном и фоновым содержанием в черноземах, которые позволяют дать оценку экологического состояния исследованных ПТК и определить интенсивность антропогенного воздействия, а также обосновать мероприятия по рациональному природопользованию. Оценка уровня загрязнения почв тяжелыми металлами была дана в соответствии с “Руководством…” (Руководство по.., 1993). Оценка условий использования почв в зависимости от уровня содержания в них химических веществ и степени опасности загрязнения почв осуществлялась по принятым показателям и критериям эколого-гигиенического состояния почв, с расчетом показателя суммарного загрязнения (Zc) (Методические.., 1993), по формуле: S Сг-рф где Сi опр - определяемое содержание i -го токсиканта в почве; Сi рф - значение регионально-фонового содержания в почве i -го токсиканта. Для оценки интенсивности вовлечения химических элементов в биологический круговорот рассчитан коэффициент биологического поглощения (Кб) - отношение содержания элемента в растениях к его содержанию в почве (Перельман, 1975).
Климат и природные воды
В геоботаническом отношении район исследований расположен в Зауральском округе Западно-Сибирской провинции Европейско-Сибирской лесостепи. Растительный покров формируется в условиях резко континентального климата, холмисто-увалистого, порой гористого рельефа, а также близкого залегания и выходов на поверхность горных пород зеленокаменного пояса, что обусловливает мозаичную и комплексную структуру, а также изменчивость биопродуктивности степных экосистем (Крашенинников и др, 1964; Карамышева и др, 1973; Раститетельность…, 1980; Скарлыгина-Уфимцева и др., 1986; Юнусбаев, 2000; Опекунова и др., 2005; Реестр…, 2010). К настоящему времени флористические и геоботанические особенности района достаточно хорошо изучены, разработана классификация степной, рудеральной и сегетальной растительности, а также лесных фитоценозов (Исаченко и др., 1961; Саитов, 1986; Ишбирдин и др., 1988; Соломещ, 1994; Мордкович и др., 1997).
Основная часть территории исследований расположена в степи и лесостепи, для нее характерно чередование березовых преимущественно остепненных лесов и каменистых вариантов разнотравно-типчаково-ковыльных степей. В пределах, исследованных ПТК представлены следующие типы растительности: лесной, степной, луговой и рудеральной (прилож.2).
На склонах и вершинах хр. Ирендык в пределах района исследований (на ЭП в районе п. Старый Сибай и карьера Камаган), распространены березовые (Betula pubescens Ehrh.) и осиновые леса (Populus tremula L.). Здесь хорошо развиты травяной и на каменистых склонах кустарниковый ярусы.
Преобладающей формацией являются березняки Betuleta pendulae, встречающиеся небольшими массивами – колками, порослевого происхождения древостои незначительной сомкнутостью (0,2–0,3). Группа ассоциаций березняков разнотравных Betuleta herbosa включает одну из наиболее распространенных ассоциаций березняков вейниково-разнотравных Betuletum pendulae calamagrostidoso-herbosum. Данная ассоциация приурочена к средним и нижним частям склонов с темно-серыми почвами. В травостое этих лесов с высоким проективным покрытием (ОПП) (50 %) преобладают светолюбивые виды – луговые, опушечные, степные, растущие с типично лесными: вейники Calamagrostis epigeios L. и Calamagrostis arundinacea (L.) Roth., коротконожка перистая Brachypodium pinnatum (L.) Beauv., осока пузырчатая Carex vesicaria L., орляк обыкновенный Pteridium aquilinum (L.) Kuhn и т.д. Обильно разнотравье: костяника Rubus saxatilis L., подмаренник северный Galium boreale L., чина клубненосная Lathyrus tuberosus L., борщевик сибирский Heracleum sibiricum L., горошек тонколистный Vicia tenuifolia Roth. и др. На каменистых склонах формируются степные кустарниковые группировки из Cerasus fruticosa Pall., Spiraea crenata L., и Caragana frutex (L.) C. Koch. с участием южно-уральских эндемиков гвоздики иглолистной Dianthus acicularis Fisch. ex Ledeb, горноколосника колючего Orostachys spinosa (L.) C.A. Mey., очитка Sedum stepposum Boriss., очитка гибридного S. hybridum L., песчанки длиннолистной Eremogone longifolia (Bieb.) Fenzl и южно-сибирского горно-степного реликта лапчатки шелковой Potentilla sericea L. Достаточно хорошо представлены луговые и степные виды, из которых наиболее обильны смолевка ползучая Silene repens Patrin, пырей ползучий Elytrigia repens (L.) Nevski, Festuca valesiaca Gaudin, василистник желтый Thalictrum flavum L., встречаются занесенные в Красную книгу БАССР виды тюльпан Биберштейна Tulipa biebersteiniana Schult. & Schult. fil., рябчик русский Fritillaria ruthenica Wikstr. и др. (Красная книга…, 2001).
К плоским частям водораздельных равнин и к западинам приурочены заболоченные леса, представленные ассоциацией березняков осоковых Betuletum caricosum. Древостой образован березой и осиной (высота 2–2,5 м, при сомкнутости древостоя — 0,6–0,7). В подлеске встречаются крушинник ломкий Frangula alnus Mill., ракита Salix caprea L.; иногда обильны шиповник иглистый Rosa acicularis Lindl. и смородина черная Ribes nigrum L. Травяной покров (ОПП 30 %) сложен Calamagrostis arundinacea (L.) Roth., болотницей болотной Eleocharis palustris (L.) Roem. & Schult., дудником Angelica archangelica L., осоками Carex caespitosa Auct., C. acuta L. и C. supina Willd. ex Wahlenb.; валерианой сомнительной Valeriana dubia Bunge. Для узких долин рек и ручьев характерны мезофитные сообщества, в древесном ярусе которых доминируют черемуха обыкновенная Padus rasemosa (Lam.) Gilib. и ива белая Salix alba L. В травяном ярусе чаще всего встречаются крапива двудомная Urtica dioica L., гравилат речной Geum rivale L., астрагал желобчатый Astragalus sulcatus L., Elytrigia repens и др.
Формация осинников (Tremuleta) представляет собой древостои порослевого происхождения с незначительной сомкнутостью (0,2–0,3), чаще с небольшой примесью березы Betula pendula Roth. Господствующая высота древостоя колеблется в пределах от 4,5–5,6 м в средней части на примитивных темно-серых почвах 11–12 м в колках, приуроченных к глубоким логам и к долине ручьев. Хорошо развит кустарниковый ярус. В осинниках, распространненных в террасах небольших ручьев заметна примесь пойменных элементов – черемухи Padus avium Mill., в кустарниковом ярусе малины Rubus idaeus L., шиповникa Rosa cinnamomea L., очень богат видовой состав под пологом леса. Здесь доминируют Calamagrostis epigeios с примесью луговых и степных злаков и разнотравья. Видовое разнообразие составляет 15–20 видов, ОПП — 35 %. На территориях с наиболее благоприятным режимом увлажнения – в поймах небольших ручьев и центральных частях ложбин горно-лесостепной области распростанены луга. Доминирует здесь смешанно-разнотравная ассоциация, с большой видовой насыщенностью (45–50 видов) и высоким ОПП (75%). Наибольшее распространение имеют эумезофиты: горошек мышиный Vicia cracca L., чина луговая Lathyrus pratensis L., клевер средний Trifolium medium L. и др., мезоксерофиты: тысячелистник обыкновенный Achillea millefolium L., коровяк фиолетовый Verbascum phoeniceum L., девясил британский Inula britannica L.; ксеромезофиты: земляника Filipendula vulgaris Moench, душица обыкновенная Origanum vulgare L., Fragaria viridis, люцерна серповидная Medicago falcata L., зопник клубненосный Phlomis tuberosa L. и др. Из злаков доминируют овсяница луговая Festuca pratensis Huds., лисохвост луговой Alopecurus pratensis L., Calamagrostis epigeios, Elytrigia repens, осоки Carex acuta, C. supina и др.
Склоны южной и восточной экспозиций, а также вершины увалов покрыты основными плакорными зональными фитоценозами, объединяющие виды настоящих степей регионов Северного Казахстана и Западной Сибири. Значительную роль в них играют мезоксерофитные и эвриксерофитные злаки: ковыли Stipa pennata L., S. tirsa Stev., Festuca valesiaca, корневищные и рыхлодерновинные злаки и обильное лугово-степное разнотравье Filipendula vulgaris, Fragaria viridis, Phlomis tuberosa, девясил волосистый Inula hirta L., многочисленные виды полыни Artemisia sericea Web., A. armeniaca Lam. и др. Близкое залегание подстилающих горных пород способствует широкому распространению на исследованной территории петрофитных вариантов ковыльных степей. В сообществах происходит постепенная замена видов мезофильного характера на виды, более устойчивые к дефициту влаги. Отмечаются разреженность и снижение высоты травяного покрова, уменьшение обилия Stipa pennata, S. capillata L. (обилие по Друде — sol). Постепенно они уступают место Festuca valesiaca и F. pseudovina Hack. ex Wiesb.
Химический состав растений в условиях естественных геохимических аномалий (фоновая территория)
Необходимо отметить существенное различие между содержанием ТМ в дикорастущих и культурных растениях исследованных ПТК. Результаты анализа химического состава сельскохозяйственных культур на приусадебных участках в п. Калининское показали превышение уровня ПДК по Zn и Pb в репчатом луке, капусте и в свекле. В вишне концентрация Zn в 2–3 раза выше фонового значения. Содержание Ni в луке в 5 раз превышает фон. Сd в растениях приусадебного участка не обнаружен. В коллективных садах г.Сибай наблюдается высокое содержание Zn и Ni в капусте, превышающее фоновые значения в 3–4 раза и Pb — близкое к ПДК. Содержание Ni в листьях вишни в 2,5 раза выше фона. На приусадебных участках п. Семеновское уровень накопления ТМ в выращиваемых сельскохозяйственных растениях практически не превышает ПДК. При сопоставлении с кларком растений можно отметить высокие концентрации Zn, Pb, Fe и в некоторых случаях Mn (прилож. 8). В целом, по содержанию ТМ в растениях пастбищного угодья и культурных видах п. Семеновское наблюдается значительное превышение по РКР. Согласно Методическим указаниям... (Методические.., 1998), при повышенном содержании ТМ в культурных растениях исследованных ПТК необходимо ограничить выращивание сельскохозяйственных культур. Хотя, благодоря нейтральной реакции почвенных растворов (pH=6,8) и высокому содержанию карбоната кальция в почвах происходит снижение подвижности соединений ТМ и соответсвенно поглощение их растениями. Именно поэтому в некоторых из изученных пищевых растениях содержания ТМ не превышают ПДК. Но все же необходим постоянный контроль за содержанием токсикантов в почве, сельскохозяйственных растениях, в кормах и в воде местных источников.
Сравнительный анализ среднего содержания ТМ в растениях за период с 1999– 2014 гг. показал, что химический состав изученных видов значительно варьируется в зависимости от ландшафтно-геохимической обстановки конкретного года и от удаления от источника техногенного загрязнения. За исследованный период в Artemisia austriaca вблизи п. Калининское отмечается повышенное содержание Fe, Cu, Pb, Cd и Zn. Концентрация ТМ в полыни сильно варьируется от года к году и составляет для Cu — 0,5–3 РКР, Zn — 1–3 РКР, Fe — 0,3–6 РКР. В Thymus marschallianus диапазон изменения концентрации составляет для Fe — 2,2–8,5 РКР, Zn — 1,5–2 РКР, Cu — 0,7–1,9 РКР (табл. 5.8).
На участке, расположенном близ п. Старый Сибай, во всех индикаторных видах наблюдается высокое содержание Fe, превышающее региональный фон. Кроме того, в склоновых ПТК, обращенных к Сибайскому и Камаганскому карьеру, зафиксирована повышенная концентрация Cu и Zn в Thymus marschallianus и в Veronica incana, достигающая 2–3 РКР. Превышение регионального фона часто встречалось в Artemisia austriaca — Cu в 2002 и 2009 году, Pb — 2002, 2007, 2009, Cd — 2002, 2007, 2012, Zn — 2002, 2009 годах, что связано, прежде всего, с особенностями ландшафтно-геохимической обстановки в указанные годы.
При анализе динамики содержания ТМ в растениях за период с 1999 по 2014 гг. выявлена следующая особенность — при достаточно малом отклонении от средней величины практически всех элементов выделяется Fe, изменчивость концентрации которого достигает от 300 до 800%. Это может быть связано с высокой вариабильностью подвижности форм Fe вследствие погодных условий. Так, период 2010–2012 годов, в котором наблюдается возрастание содержания железа, характеризуется по данным И. Н. Семеновой (2012) более высокой микробиологической активностью, нежели предыдущие годы (Семенова, 2012). Таблица 5.8. Среднее содержание ТМ в растениях исследованной территории (мг/кг сухого вещества) ПТК Ni Fe Cu Mn Artemisia austriaca Pb Cd Zn Фоновые ПТК Красноуральско-Сибай-Гайской рудоносной зоны, вблизи п. Мукасово, n=112 (1999-2013) L2 0,01-3,5 88 10,6-212 132,8-23 51 8,8-122 16 0,001-3,5 0,003-3,5 52 17-154 ПТК около п. Старый Сибай, n=70 (1999-2013) 160,3-5 213 17-1306 16,55-62 57 4,1-107 2J_ 0,7-5 0J 0,3-2,4 58 25-149 ПТК в районе месторождения «Юбилейное», n=21 (2000-2001) 16 0,2-9,1 43,6 12,9-166 11 4,2-24,6 30 12-85 1A 0,9-1,8 00,1-0,9 26 10-51 ПТК вблизи п. Семеновское, n=7 121,3-2,2 169 96-264 14 9-18 45 35-61 2 1,3-3,4 0,2-1,3 3623-65 ПТК около п. Калининское, n=30 (1998-2013) 160,5-2,9 21029,7-575 24 7,8-42 27 14-48 220,4-6,2 0,001-0,7 59 39-164
На участках, находящихся под антропогенным воздействием, в целом, наблюдается постепенное увеличение в растениях содержания Zn, Fe, Cu, Pb, Mn и др. Например, в зоне воздействия Сибайского карьера, в 2001–2002 гг. содержание элементов в растениях резко уменьшилось. Это объясняется приостановкой работ в связи с простоем комбината, что снизило техногенную нагрузку на этом участке. Однако, начиная с 2004–2005 гг. и по настоящее время на территории близ п.Старый Сибай наблюдается тенденция к увеличению накопления Fe. Это может быть связано с добычей медно-цинковых руд открытым способом в карьере Камаган, где Fe выступает в качестве основного рудного элемента. В растениях степных ПТК вблизи п. Калининское отмечается постепенное повышение концентрации Fe и Mn по сравнению с 2000-ми годами. Это может быть также обусловлено влиянием на данную территорию объектов горнопромышленного комплекса, в частности, хвостохранилище СОФ. При этом концентрация Ni, Cu, Pb, Cd и Zn в растениях по годам варьируются незначительно.
Таким образом, на территории, находящейся под воздействием горнорудного производства, отмечается тенденция постепенного увеличения содержания микроэлементов во всех видах растений. На протяжении всего временного отрезка исследований отмечается постоянное превышение концентрации Fe, Cu, Pb, Zn и Cd в растениях как на фоновых, так и на антропогенно нарушенных территориях: п. Старый Сибай и п. Калининское. Накопление ТМ происходит неравномерно от года в год, нет четкой закономерности накопления содержания их в растениях. Наблюдается тенденция постепенного повышения содержания Fe и Mn в растениях, на территории п. Калининское, а также Fe на участке у п. Старый Сибай. В целом, многолетнее воздействие горнорудного производства на ПТК Башкирского Зауралья способствует их загрязнению Fe, Cu, Pb, Zn и Cd, что отражается в химическом составе различных видов растений.