Влияние породных отвалов на тундровые экосистемы в Воркутинском промышленном районе
Автор: Кузнецова Елена Геннадьевна, Ковалева Вера Александровна, Хабибуллина Флюза Мубараковна, Панюков Андрей Николаевич
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Углеводородные и минеральные ресурсы
Статья в выпуске: 1-8 т.14, 2012 года.
Бесплатный доступ
Исследовано состояние тундровых экосистем в зоне влияния породного отвала, сформированного в результате угледобычи в Воркутинском промышленном районе Республики Коми. Установлено, что породный отвал не является источником значительного загрязнения почв аэрогенным путем. Преобразования в микробном комплексе почв связаны с изменением условий обитания, обусловленным функционированием породного отвала.
Тундровые экосистемы, угледобыча, породные отвалы, загрязнение почв, почвенные микроорганизмы
Короткий адрес: https://sciup.org/148201014
IDR: 148201014
Текст научной статьи Влияние породных отвалов на тундровые экосистемы в Воркутинском промышленном районе
В крупных угледобывающих районах, к которым относится и Воркутинский промышленный район Республики Коми, происходит интенсивное преобразование естественных экосистем. Извлечение полезных ископаемых из недр как открытыми, так и подземными горными работами сопровождается нарушением почвенно-растительного покрова и формированием породных отвалов, которые также являются источниками аэрогенного загрязнения прилегающей территории [1, 8]. При изучении трансформации природных экосистем под влиянием различных видов нарушения и загрязнения необходим системный подход, поскольку биогеоценоз является целостным образованием, состоящим из растительного сообщества, зоомикробного комплекса и почвы. Особенно чутко реагируют на изменение условий среды обитания почвенные микроорганизмы, которые могут служить биоиндикаторами состояния окружающей среды.
В настоящей работе представлены результаты изучения растительного сообщества, почв и почвенной микробиоты как взаимосвязанных компонентов тундровых экосистем в зоне воздействия породного отвала, образующегося при добыче угля в Воркутинском промышленном районе.
Объекты и методы . Исследования проводились в начале июля 2010 г. на территории расположения породного отвала шахты «Воркутинская», образованного в 1994 г. и функционирующего по настоящее время. Площадь основания отвала составляет 160 тыс. м2, высота около 25 м, объем вмещающей породы более 2500 тыс. м3. Породы отвала имеют углисто-аргиллитовый
состав [1]. На отвале не отмечено развитие растительности.
На основании визуального обследования территории были выделены три зоны по влиянию техногенного объекта на состояние почвеннорастительного покрова. К первой зоне максимального воздействия (импактной) относятся прилегающие к породному отвалу участки, расположенные в радиусе примерно 50 м. Вторая зона умеренного воздействия (буферная) находится примерно в 700 м от границы отвала. Третья зона – условно фоновая, расположена в 4 километрах от отвала. Исследованные здесь растительность и почвы характерны для зональных экосистем данного района. На участках, расположенных в рассматриваемых зонах, были выполнены геоботанические описания, заложены почвенные разрезы. На химический и микробиологический анализы были отобраны образцы породы отвала и из верхних горизонтов почв.
Микробиологический анализ проводили общепринятыми методами посева почвенной суспензии на агаризованные питательные среды [6]. Биомассу микроорганизмов определяли методом люминесцентной микроскопии. Статистическую обработку данных производили с помощью пакета программ Statistica-6.0, MS Excel 5.0, Biodiversity. Химический анализ образцов почв (определение рН, содержания органического углерода, азота, фосфора, калия, микроэлементов) проведен в экоаналитической лаборатории «Эко-аналит» Института биологии Коми НЦ УрО РАН, аккредитованной в Системе аккредитации аналитических лабораторий Росстандарта России. Для определения содержания кислоторастворимых форм Zn, Cu, V, Ni, Sr, Ba использовался метод атомно-эмиссионной спектрометрии в индукционно-связанной плазме. Анализ проводили на приборе Spectro Ciros (Германия). Количество Hg определяли методом атомной абсорбции.
Результаты и обсуждение. Участок, расположенный в импактной зоне, представляет собой нарушенную ерниково-ивняковую разнотравно-моховую тундру. Территория характеризуется бугорковатым микрорельефом со старыми следами прохода гусеничного транспорта и частичным нарушением напочвенного покрова и верхнего горизонта почвы. Следует отметить, что импакт-ная зона защищена от преобладающих в данном районе южных и юго-западных ветров, на склонах и у подножия отвала происходит значительное накопление снега и, соответственно, в теплый период территория имеет избыточное увлажнение.
В ярусе кустарников преобладают карликовая береза, ивы филиколистная, шерстистая и серо-голубая, высота яруса 0,9-1,2м, сомкнутость до 60%. В травянисто-кустарничковом ярусе господствуют травы, обычные для тундровой зоны: вейник незамечаемый, ясколка енисейская, виды влажных местообитаний – пушица Шейхцера, белозор болотный, а также элементы антропогенной флоры – щучка дернистая хвощ полевой и ряд других. Из кустарничков единично присутствуют брусника, голубика и ива сетчатая. Моховой покров образован крупными сливающимися пятнами зеленых и политриховых мхов, его проективное покрытие составляет 60%.
Почвенная прикопка сделана на нарушенном участке с фрагментами моховой растительности, зарастающем травами. Признаки усиления гидроморфизма на данном участке были отмечены и в строении профиля почвы. Сверху до 2 см глубиной слой, состоящий из опада трав и слабо-разложившихся моховых остатков, ниже суглинок до 4 см, темно-серый, вязкий, сырой, переплетен корнями трав. Под слабоодернованным слоем наблюдается неравномерно окрашенный суглинок – на сизо-сером фоне ржаво-бурые пятна. На глубине от 6 до 18 см отмечена погребенная масса торфянистого слоя с остатками кустарниковой растительности. С глубины 18-20 см следует глеево-тиксотропный суглинок, аналогичный такому же в ненарушенных почвах.
В зоне умеренного воздействия отвала (буферной) участок представляет собой ерниково-ивняковую пушицево-моховую тундру. Механические нарушения почвенно-раститель-ного покрова не отмечены. Сообщество характерно для вершин, пологих склонов моренных гряд и холмов. Микрорельеф слабоволнистый, мелкокочковатый. Кустарниковый ярус вполне развит, высота ив (филиколистной, шерстистой и сероголубой) и карликовой березы – до 80 см, общее проективное покрытие до 60%. Травянистокустарничковый ярус не сплошной, но также хорошо выражен. Ведущую роль в нем играет пушица Шейхцера, отмечено небольшое количество кустарничков: вороники, голубики, княженики и трав – овсяницы овечьей, вейника незамечаемого и ряда других. Напочвенный покров практически сплошной, на 70% сложен зелеными мхами: Hylocomium splendens, Pleurozium schreberi, Aulacomnium turgidum. Количество лишайников невелико, небольшими пятнами отмечены обычные тундровые виды: Thamnolia vermicularis, Peltigera scabrosa, P.malacea, Cetraria islandica, Flavocetraria nivalis, Cla-donia arbuscula, Cladonia amaurocraea, C. Rangiferina, C.ecmocyna. Почва на рассматриваемой территории – тундровая торфянисто-поверх-ностно-глеевая суглинистая имеет строение A0A1 - Bg -BC, характерное для целинных тундровых почв. Участок, на котором был заложен разрез, характеризуется меньшей степенью гидроморфизма по сравнению с импактной зоной.
В качестве фонового выбран участок с ивня-ково-ерниковой кустарничково-моховой тундрой, расположенный в 4 км к востоку от породного отвала на плоской вершине водораздельной гряды. Общее проективное покрытие кустарников в сообществе составляет около 70%. Ивы и карликовая береза принимают в формировании кустарникового яруса почти равное участие. Травянисто-кустарничковый ярус вполне развит, в нем преобладают вороника, брусника и голубика, а также некоторые травы: осока бледноватая, овсяница овечья, гру-шанка крупноцветковая, золотарник и ряд других. Моховой покров практически сплошной, мощный, сложен в основном, зелеными мхами: Hylocomium splendens, Pleurozium schreberi, Aulacomnium turgi-dum, Aulacomnium palustre, пятнами встречаются лишайники: Cetraria islandica, Cladina stellaris, C. alpestris, C. Fimbriata, C. pocillum, Nephroma arcti-cum, Peltigera degenii, P. didactyla, P. canina, P. leuco-phlebia, P. rufescens, Stereocaulon glareosum. Характерной чертой почвенного покрова целинной тундры является ясно выраженная микрокомплексность. На рассматриваемой территории распространен бу-горковатый тип тундры, занимающий склоны холмов и плоские водоразделы. Почвенный разрез был заложен на межбугорковом участке, где почва тундровая торфянисто-поверхностно-глеевая суглинистая характеризуется следующим строением: A0A1 - Gtx - Bg – BC. Важной чертой строения профиля является его резкое разделение на надминеральную (грубогумусовую) и минеральную части.
Результаты химического анализа почв и породы шахтного отвала представлены в таблице 1. Отвальная порода характеризуется слабощелочной реакцией и повышенным содержанием органического углерода и фосфора. Содержание азота низкое. Почвы кислые – значения рН колеблются в пределах 4,6-5,5. Органический углерод и минеральные элементы во всех почвах сосредоточены в верхнем органогенном горизонте. В минеральном горизонте их концентрация резко снижается. Таким образом, на всех исследованных участках проявляется характерное для северных почв резкое разделение органогенного слоя и минеральной толщи по содержанию органического углерода и минеральных элементов, высвобождающихся из разлагающихся растительных остатков. В почвах на участках, расположенных вблизи отвала, не обнаружено заметных изменений в рассматриваемых показателях по сравнению с фоном. Следует отметить более высокое содержание калия в органогенном горизонте почвы импактной зоны, что, по-видимому, связано со значительной долей участия травянистой растительности на данном участке. Механические нарушения вблизи отвала, а также возможное пылевое загрязнение не привели к существенному изменению химических характеристик, определяющих плодородие почв.
Таблица 1. Химические свойства тундровых почв и отвальной породы
Месторасположение |
Горизонт, глу бина, см |
рНвод. |
Сорг., % |
N гидр |
Р 2 О 5 |
К 2 О |
мг/100 г почвы |
||||||
отвал |
отвальная порода, 0-10 |
8,0 |
17,39 |
2,46 |
67,2 |
15,08 |
импактная зона |
А0А1 0-2 |
5,6 |
11,03 |
10,64 |
12,71 |
69,90 |
Gtx 2–10 |
5,0 |
3,26 |
2,91 |
5,52 |
9,63 |
|
буферная зона |
А0А1 0-10 |
5,5 |
9,01 |
12,32 |
1,91 |
35,55 |
Вg 10–20 |
4,6 |
2,03 |
2,91 |
2,87 |
6,14 |
|
фон |
А0А1 0-6 |
5,2 |
13,69 |
12,32 |
14,92 |
41,92 |
Gtx 6-20 |
4,9 |
5,14 |
6,00 |
1,65 |
7,53 |
В породе отвала и в почвах определяли также содержание тех микроэлементов, которые, главным образом, участвуют в загрязнении почв под воздействием шахтного комплекса (Природная среда тундры, 2005). Результаты анализа приведены в табл. 2. По данным количественного химического анализа количество тяжелых металлов Сu, Zn, Ni, V и Hg в почвах не превышает разработанные для этих элементов нормативы ПДК (ОДК) [2, 3]. Содержание микроэлементов соответствует в основном фоновому уровню, установленному для почв рассматриваемой территории [4, 8].
Таблица 2. Содержание микроэлементов в тундровых почвах и отвальной породе, мг/кг
№ |
Название образца (месторасположение, горизонт, глубина, см) |
Cu |
Zn |
V |
Ni |
Hg |
Sr |
Ba |
ПДК (ОДК) для суглинков |
66 |
110 |
150 |
40 |
2,1 |
- |
- |
|
ПДК (ОДК) для песков |
33 |
55 |
150 |
20 |
2,1 |
- |
- |
|
1 |
Отвальная порода 0-10 |
56 |
77 |
40 |
90 |
0,150 |
98 |
180 |
2 |
Импактная зона, А0 0-2 |
16 |
49 |
42 |
29 |
0,120 |
51 |
120 |
3 |
Импактная зона, Gtx 2-10 |
13 |
39 |
51 |
28 |
0,070 |
36 |
160 |
4 |
Буферная зона, А0А1 0-10 |
13 |
45 |
50 |
25 |
0,106 |
35 |
98 |
5 |
Буферная зона, Вg 10–20 |
11 |
45 |
58 |
24 |
0,038 |
18 |
68 |
6 |
Фон, А0А1 0-6 |
12 |
50 |
49 |
21 |
0,200 |
36 |
90 |
7 |
Фон, Gtx 6-20 |
4,4 |
27 |
48 |
13 |
0,017 |
12 |
41 |
Относительно более высокие концентрации Сu, Zn, Ni, Ва в органогенных горизонтах по сравнению с минеральными связаны с процессом биогенной аккумуляции. Минеральные горизонты почв по содержанию большинства микроэлементов незначительно различаются между собой, поскольку почвы формировались на сходной почвообразующей породе – покровном суглинке. Установлено, что отвалы шахты «Воркутинская» обогащены Ва, Sr, Сu, Zn, V, Ni [1, 8]. По нашим данным, отвальная порода характеризуется также более повышенным количеством этих элементов, кроме ванадия, по сравнению с почвами. В почве импактной зоны отмечено более высокое содержание преобладающих в породе отвала Ва и Sr, чем в почвах буферного и фонового участков, что свидетельствует о загрязнении пылью прилегающей к отвалу территории.
Для оценки влияния породного отвала на почвенную микробиоту были исследованы ее биомасса, трофическая структура и численный состав. По данным прямого счета наибольшей численностью микроорганизмов характеризуются верхние (органогенные) горизонты исследуемых почв (табл. 3). С глубиной численность микроорганизмов резко снижается, что характерно для почв Севера [7, 9].
Субстрат породного отвала характеризуется низкой биологической активностью.
В органогенном горизонте почвы импактной зоны численность бактерий, спор и дрожжеподобных организмов и длина грибного мицелия заметно выше по сравнению с почвами буферного и фонового участков, микробиота которых по этим показателям отличается незначительно. Следует лишь отметить более высокое количество бактерий в почве буферной зоны по сравнению с фоном. В фоновой почве численность микроорганизмов характерна для целинных почв исследуемого района. В ряду почв зон фоновая→буферная→импактная отмечено возрастание общей биомассы микроорганизмов с особенно резким увеличением доли спор и дрожжеподобных организмов (табл. 4). Обилие дрожжевых грибов в почве импактной зоны может быть связано с наличием здесь травянистой растительности, остатки которой легче подвергаются разложению по сравнению с мхами. Развитию дрожжевых грибов может также способствовать повышение гидроморфизма на участке, расположенном вблизи отвала, и создание анаэробных условий, а также изменение температурного режима в сторону потепления, что благоприятствует процессам брожения.
Таблица 3. Численность бактерий, спор грибов и дрожжеподобных организмов и длина грибного мицелия в почвах и отвальной породе
Горизонт |
Бактерии, млрд кл./г а.с.п. |
Мицелий гри бов, м/г а.с.п. |
Споры и дрожжеподобные организмы, млн/г а.с.п. |
породный отвал |
|||
0-20 см |
0,09 |
55,75 |
0,97 |
импактная зона |
|||
А0А1 |
3,80 |
504,37 |
13,7 |
В |
0,01 |
21,35 |
0,72 |
буферная зона |
|||
А0А1 |
1,0 |
223,25 |
7,23 |
Gtx |
0,01 |
12,3 |
1,88 |
фон |
|||
А0А1 |
0,03 |
283,56 |
8,16 |
Gtx |
0,01 |
0 |
2,20 |
Таблица 4. Биомасса микроорганизмов в почвах и отвальной породе, мг/г
Горизонт (глубина) |
Бактерии |
Мицелий грибов |
Споры грибов и дрожжеподобные организмы |
Всего |
породный отвал |
||||
0-10 см |
0,002 |
0,12 |
0,01 |
0,14 |
импактная зона |
||||
А0А1 |
0,08 |
1,4 |
0,14 |
1,62 |
Gtx |
0,0002 |
0,07 |
0,007 |
0,08 |
буферная зона |
||||
А0А1 |
0,02 |
0,80 |
0,07 |
0,89 |
Gtx |
0,0002 |
0,02 |
0,01 |
0,03 |
фон |
||||
А0А1 |
0,04 |
0,4 |
0,004 |
0,44 |
Gtx |
0,0002 |
0 |
0,02 |
0,02 |
Данные по изменению численности и биомассы микроорганизмов, определенные люминесцентным методом, подтверждаются результатами исследования основных физиологических групп микроорганизмов, проведенного чашечным методом.
В субстрате породного отвала численность микроорганизмов всех физиологических групп микроорганизмов значительно ниже, чем в почвах (табл. 5).
Таблица 5. Характеристика основных эколого-трофических групп микроорганизмов (численность микроорганизмов в млн КОЕ/г а.с.п.)
Горизонт (глубина) |
Аммонификаторы |
Минерализаторы |
Олигонитрофилы |
Олиго-трофы |
Грибы |
породный отвал |
|||||
0-20 см |
8,8±1,8 |
5,7±1,1 |
1,6±0,4 |
1,5±0,5 |
0,05±0,01 |
импактная зона |
|||||
А0А1 |
88,5±4,4 |
99,1±3,8 |
30,8±4,1 |
32,9±2,8 |
0,60±0,01 |
Gtx |
8,2±2,8 |
9,7±1,3 |
8,5±2,2 |
9,0±1,0 |
0,03±0,01 |
буферная зона |
|||||
А0А1 |
35,1±8,3 |
37,5±2,1 |
14,8±2,8 |
14,1±2,7 |
0,93±0,05 |
Gtx |
1,04±0,9 |
4,7±2,8 |
1,1±0,8 |
4,4±2,2 |
0,03±0,01 |
фон |
|||||
А0А1 |
23,6±2,3 |
25,7±4,2 |
10,1±1,3 |
12,3±2,2 |
0,55±0,02 |
Gtx |
5,0±1,1 |
5,9±1,2 |
4,7±2,1 |
3,8±1,5 |
0,02±0,01 |
Следует отметить, что процессы минерализации достаточно активно протекают во всех почвах (коэффициент минерализации больше 1) [5]. Самой высокой численностью трофических групп микроорганизмов характеризуется почва импактной зоны. Увеличение численности аммонификаторов, минерализаторов по сравнению с олигонитрофилами и олиготрофами может указывать на активизацию процессов разложения легко доступного субстрата с высокой долей остатков травянистых растений. В буферной зоне численность всех основных трофических групп ниже в 2-3 раза по сравнению с им-пактной зоной и близка к фону, что свидетельствует об уменьшении влияния отвала с увеличением расстояния от его границы.
Выводы:
-
1. В процессе формирования породного отвала шахты «Воркутинская» произошло частичное нарушение почвенно-растительного покрова в им-пактной зоне. Изменение условий обитания привело к развитию на данном участке травянистых растений, их доля в проективном покрытии составила около 40% (на ненарушенных территориях обычно 5-10%).
-
2. Породный отвал не оказывает заметного влияния на изменение физико-химических характеристик почв. В почве импактной зоны отмечено более высокое содержание преобладающих в отвальной породе бария и стронция по сравнению с почвами буферного и фонового участков, что свидетельствует об оседании пыли на прилегающей к отвалу территории, но уровень загрязнения этими элементами почв невысокий. Количество тяжелых металлов во всех исследованных почвах не превышает разработанные для этих элементов нормативы ПДК (ОДК).
-
3. Наиболее заметные изменения отмечены в почвенной микробиоте, которая чувствительна к малейшим изменениям условий среды обитания. Однако преобразование микробного комплекса обусловлено не столько влиянием поллютантов, а, скорее всего, связано с изменением условий функционирования тундровой экосистемы в связи с формированием породного отвала.
Работа выполнена при финансовой поддержке программ Уральского отделения РАН (проект программы инициативных фундаментальных исследований 12-У-4-1005).
Список литературы Влияние породных отвалов на тундровые экосистемы в Воркутинском промышленном районе
- Воркута -город на угле, город в Арктике/под ред. М.В. Гецен. -Сыктывкар, 2004. 352 с.
- ГН 2.1.7.2041-06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: Гигиенические нормативы. -М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006. 15 с.
- ГН 2.1.7.2511-09 Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве: Гигиенические нормативы. -М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. 11 с.
- Дымов, А.А. Фоновое содержание тяжелых металлов, мышьяка и углеводородов в почвах Большеземельской тундры/А.А. Дымов, Е.М. Лаптева, А.В. Калашников, С.В. Денева//Теоретическая и прикладная экология. 2010. №4. С. 43-48.
- Звягинцев, Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей//Почвоведение. 1978. № 6. С. 48-54.
- Методы почвенной микробиологии и биохимии/под. ред. Д.Г. Звягинцева. -М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.
- Паринкина, О.М. Микрофлора тундровых почв. -Л.: Наука, 1989. 158 с.
- Природная среда тундры в условиях открытой разработки угля (на примере Юньягинского месторождения)/под ред. М.В. Гецен. -Сыктывкар, 2005. 246 с.
- Стенина, Т.А. Биологическая активность некоторых почв Коми АССР//Материалы по почвам Коми АССР. -Сыктывкар, 1974. С. 35-42.