ЭКОЛОГИЯ, 2015, № 3, с. 163-172
УДК 574.4:574.472+631.4:[631.442+631.423]
ОСОБЕННОСТИ ПОЧВ И ТРАВЯНИСТЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА НА СРЕДНЕМ УРАЛЕ
© 2015 г. Т. В. Жуйкова*,**, Э. В. Мелинг*, С. Ю. Кайгородова**, В. С. Безель**, В. А. Гордеева*
*Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия 622031 Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 57 **Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 e-mail: hbfnt@rambler.ru Поступила в редакцию 26.03.2014 г.
Изучена антропогенная трансформация почв и особенности травянистых растительных сообществ в условиях химического загрязнения тяжелыми металлами. По ландшафтным и почвенным условиям изученные участки разделены на две группы — агроземы и техноземы. Фитоценозы участков фоновой и буферной зон относятся к гликофитному варианту лугового типа растительности, импакт-ной — к предшествующей лугам стадии восстановительной сукцессии. Химическое загрязнение приводит к снижению коэффициентов сходства между сообществами и повышению таксономического разнообразия за счет снижения видовой насыщенности родов и семейств и повышения доли монотипных таксонов. Химическое загрязнение в большей степени, чем тип сообщества и группа почв, влияет на видовую насыщенность и проективное покрытие видов.
Ключевые слова: тяжелые металлы, агроземы, техноземы, травянистые фитоценозы, синтаксономи-ческая характеристика, таксономическое богатство и разнообразие, видовая насыщенность, проективное покрытие видов.
DOI: 10.7868/S0367059715030130
Антропогенное воздействие может изменять сложившееся стабильное состояние природных экосистем, вплоть до полного уничтожения почвенного покрова и растительности. Это в полной мере относится к деградации земель в районах предприятий металлургической и горнодобывающей промышленности (Козлов, Во-робейчик, 2012; Пуртова и др., 2013; Rosenberg et al., 1979; Folkson, 1984; De Vries, 1988; Sienhiegwieg, 1989).
Крупнейший источник аэрогенных выбросов на Среднем Урале — Нижнетагильский металлургический комбинат (ОАО "Евраз НТМК"), функционирующий с 1938 г. Загрязняющие вещества — тонкодисперсные пылевые частицы с содержанием ионов Cu, Ni, Pb, Cd, Zn, Cr, As, Hg, SO2, NO2, CO2 и дигидросульфид.
Цель работы — изучение в градиенте химического загрязнения антропогенно-деградированных почв и особенностей сформировавшихся в этих условиях травянистых сообществ.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В 2009—2012 гг. изучали биотопы в агрогенных и техногенных ландшафтах, на которых сформировались травянистые сообщества.
Описание и диагностика агрогенно-преобразо-ванных естественных почв выполнены в июле 2012 г. на основе изучения их морфологического строения и в соответствии с методическими рекомендациями (Шишов и др., 2014). Диагностика молодых почв отвалов выполнена с учетом результатов исследований почв и грунтов отвалов горнодобывающей промышленности Урала (Ма-хонина, 2003; Забалуев и др., 2007).
Химический состав почв изучали в соответствии с аттестованными методами анализа в аккредитованной лаборатории ИЭРиЖ УрО РАН (Аттестат аккредитации № РОСС Яи. 0001.515630). В почвенных образцах определяли кислотность водной и солевой вытяжек (рНвод, рНсол), гидролитическую кислотность, обменные кальций и магний, степень насыщенности основаниями, подвижные калий и фосфор, легкогидролизуемый азот,
общий углерод, нитраты (Теория и практика..., 2006). Анализ почвы на содержание тяжелых металлов выполнен по РД 52.18.191-89. В кислотных вытяжках измеряли содержание Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb методом пламенной атомно-абсорбцион-ной спектрометрии на спектрометре AAS Vario 6 фирмы Analytik Jena AG.
На основе концентраций тяжелых металлов в почвах и расчетного индекса загрязнения (суммарного коэффициента концентрации Z, выраженного в относительных к фоновым значениям единицах) были выделены зоны техногенной нагрузки — фоновая, буферная и импактная. Названия зон даны в соответствии с номенклатурой ЮНЕП (Global., 1973). Фоновые участки были заложены в агрогенных ландшафтах (на заброшенных пашнях); импактные размещены в сугубо техногенных ландшафтах — на отвалах предприятий железорудной горнодобывающей промышленности и черной металлургии. В буферной зоне один из участков заложен в агроландшафте, второй — на отвале магнезитовых пород, относящемся к агломерации горнодобывающих предприятий г. Н. Тагила, для объединения контрастных почвенно-экологических условий фоновой и импактной зон.
Описание видового состава и проективного покрытия видов травянистых сообществ выполнено в период максимального развития травостоя (июль). Для исследований подбирали типичные по составу и структуре для данных районов участки и выявляли полный список видов растений (Понятовская, 1964). Названия растений даны по сводке С.К. Черепанова (1995). В качестве показателей таксономического разнообразия использованы коэффициенты насыщенности надвидо-вых таксонов (Второв, Второва, 1983).
В пределах пробных площадей на учетных площадках определены проективное покрытие (ПП) и видовая насыщенность сообществ стандартными методами (Миркин, Розенберг, 1978; Махнев и др., 1990): 20 (0.25 м2) и 5 (1.0 м2) учетных площадок для оценки проективного покрытия и видовой насыщенности соответственно. Ежегодное описание данных показателей выполняли на постоянных площадях в пределах исследуемых сообществ. Представлены обобщенные данные за четыре года (2009—2012 гг.).
Статистический анализ проводили с вычислением среднего арифметического (М), ошибки (m) и среднего квадратического отклонения (S). Сравнение видового состава сообществ основано на коэффициенте Чекановского-Съеренсена (ISC) Множественные сравнения проведены S-мето-дом Шеффе. Влияние исследуемых факторов на проективное покрытие и видовую насыщенность сообществ оценено однофакторным дисперсион-
ным анализом. Анализ выполнен с помощью ПСП Statistica v. 10.0 (StatSoft, Inc., 2012).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Характеристика химического загрязнения почв. Почвенно-растительный покров исследуемой территории сформировался в условиях таежной географической зоны, подзоне южной тайги. В процессе длительного антропогенного освоения и техногенеза формируются почвы, отличные от исходных дерново-подзолистых, характерных для данной территории. В агроландшафтах сформировались агродерново-подзолистые почвы, которые после прекращения использования сельхозугодий под пашню превратились в залежи с начальными стадиями дернового процесса. На отвалах медно- и железорудных промышленных производств формируются инициальные почвы со специфическими свойствами.
Подробное описание уровней загрязнения почв на исследуемых территориях приведено ранее (Ivshina et al., 2014). Максимальное содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве достигает для меди — 288, свинца — 23, кадмия — 2, цинка — 343, железа — 16185 мкг/г. Значительные превышения фоновых концентраций отмечены по Cd — в 78 раз, Cu — в 10 раз, Zn — в 29 раз. Токсическая нагрузка (Z) на техногенно нарушенных участках возрастала в 30 раз по сравнению с фоновым (табл. 1).
Характеристика почв и ландшафтов на пробных площадях. Участки фоновой зоны (57°57'50'' с.ш., 60°15'11'' в.д.) представлены залежными землями, выведенными из-под пашни 17—20 лет назад (см. табл. 1). В течение этого времени в агроген-ных почвах в разной степени развивался дерновый процесс. В морфологическом облике почв отмечены четкие признаки пахотного горизонта P, под которым сохраняются элювиальный EL или субэлювиальный BEL горизонты. На участке Фон-1 имеются слабые признаки сезонного переувлажнения, почва глееватая. Морфологические признаки позволяют диагностировать данные почвы как агродерново-подзолистые, возникшие при освоении дерново-подзолистых тяжелосу-глинисто-глинистых почв, развитых на извест-ковистых глинах. Данные почвы проградирова-ны дерновым процессом: почва участка Фон-1 — глееватая, на участке Фон-2 — типичная.
Почвы фоновых участков характеризуются слабокислой и близкой к нейтральной средой (рНвод 5.8—6.6), невысокими значениями гидролитической кислотности (табл. 2). Обменный комплекс этих почв насыщен основаниями до 57—95%, в основном кальцием. Наблюдаются признаки элювиального выноса кальция и маг-
Таблица 1. Характеристика ландшафтов и почв исследованных
участков
Сй
О Й О м К
¡4
£
Зона Площадка/?, Участок Элемент рельефа Ландшафт Почва
нагрузки отн. ед. географический геохимический тип подтип род/вид
Фоновая Фон-1/1.0 Агроландшафт, залежь более 20 лет Очень пологий склон невысокого увала Агрогенный Трансэлювиальный, переходный к трансаккумулятивному Агродерново-подзолистая Глееватая Проградированная дерновым процессом тяже-лосуглинистая-глини-стая, на делювии извест-ковистых глин
Фон-2/1.44 Агр оландшафт, залежь менее 20 лет Очень пологий склон невысокого увала Агрогенный Трансэлювиальный Агродерново-подзолистая Языковатая Проградированная дерновым процессом тяже-лосуглинистая-глини-стая, каменистая, на делювии известковистых глин
Буферная Буфер-1/3.53 Залежь около 20 лет Нижняя часть пологого придолин-ного склона увала, возможно, речная терраса Естественный, агрогенно-пре-образованный Трансаккумулятивный Агродерново-подзолистая Глееватая Проградированная дерновым процессом пыле-вато-суглинистая, дре-свянистая, на делювии талькового сланца
Буфер-2/9.03 Верхняя терраса старого отвала. Рядом карьер старше 25—35 лет, старая шахта Техногенно-преоб-разованный, выровненная верхняя терраса отвала Техногенный Элювиальный Молодая почва, формирующаяся на отвале магнезиальных пород и талькового сланца (литострат) Задернованный Пылеватый суглинок на тальковом сланце с техногенными включениями
Импактная Импакт-1/21.58 Терраса отвала ВГОК в средней части склона Техногенно-преоб-разованный, средняя часть крутого склона отвала, терраса Техногенный Трансэлювиальный Молодая почва, формирующаяся на отвале рудника ВЖР ВГОК (артииндустрат) Задернованный Суглинисто-глинистый, каменистый с включениями железорудного агломерата, концентрата, шлака, известняка, талька и т.п.
Импакт-2/29.53 Шлаковый отвал НТМК,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.