ЛЕСНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ РЕЧНЫХ ДОЛИН ЗАУРАЛЬЯ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
FOREST ECOSYSTEMS OF RIVER VALLEYS OF TRANS-URAL IN CONDITIONS OF TECHNOGENIC TRANSFORMATION OF THE ENVIRONMENT
А.Ю. Кулагин
A.Yu. Kulagin
Уфимский Институт биологии УФИЦ РАН (Россия, 450054, Республика Башкортостан, г. Уфа, проспект Октября, 69, лит. Е)
Ufa Institute of Biology UFRC RAS (Russia, 450054, Republic of Bashkortostan, Ufa, Prospekt Oktyabrya, 69, lit. Е)
Разработка медно-колчеданных месторождений в Зауралье приводит к загрязнению окружающей среды Cu, Zn, Mn и Fe. В поймах рек распространена S. triandra (f. discolor). По коэффициенту биологического поглощения в органах S. triandra (f. discolor) металлы образуют следующий ряд: Cd>Zn>Fe>Mn>Pb>Cu (к элементам сильного накопления отнесятся Cd и Zn; слабого накопления – Fe, Mn и Pb; слабого захвата – Cu).
The development of copper-pyrite deposits in the Trans-Urals leads to environmental pollution of Cu, Zn, Mn and Fe. In the floodplains of rivers, S. triandra (f. discolor) is widespread. By the coefficient of biological absorption in the organs of S. triandra (f. discolor) metals form the following series: Cd>Zn>Fe>Mn>Pb>Cu (the elements of strong accumulation are related to Cd and Zn, weak accumulation is Fe, Mn and Pb, weak capture – Cu).
В Уральском регионе, в Зауралье, добыча меди в концентратах составляет 12-15% от общероссийской и 35% от общеуральской, а цинка – 49% и 69% соответственно [4]. Разработка месторождений и обогащение руд ведется десятки лет. При этом на начальных этапах природопользования технологии добычи и обогащения руды не соответствовали современным экологическим требованиям. В связи с этим в регионе отмечается значительное техногенное загрязнение природных ландшафтов [5]. Отходы горнорудных предприятий в виде жидких стоков и газо-дымовых выбросов, в составе которых присутствуют тяжелые металлы (ТМ) (Cu, Zn, Fe, Mn, Pb, Cd, As и т.д.) накапливаются и мигрируют в долинах рек Таналык, Худолаз и Карагайлы. В связи с этим изучение состояния растительности прибрежных экосистем в условиях промышленного загрязнения представляет актуальную научную и прикладную задачу. Следует отметить, что виды рода Salix L. – основные компоненты древесной растительности пойм рек и способны аккумулировать ТМ [2, 6, 7].
Исследования проводились на территории 10 участков: 4 контрольных створа р. Таналык и по 3 створа рр. Худолаз и Карагайлы. Створы р. Таналык: Т1 – фоновый (выше г. Баймак), Т2 – выше п. Бурибай (п. Самарское, до приема стоков Бурибайского ГОК), Т3 – ниже п. Бурибай (на 1 км выше данного створа осуществляется сброс сточных вод Бурибайского ГОК), Т4 – замыкающий (п. Мамбетово, граничит с Оренбургской областью); створы р. Худолаз: Х1 – фоновый (п. Казанка), Х2 – ниже п. Калинино (после впадения стоков предприятий г. Сибай), Х3 – замыкающий (п. Новопокровский, граничит с Челябинской областью); створы р. Карагайлы (правобережный приток р. Худолаз): К1 – ниже сброса шахтных вод Сибайского филиала Учалинского ГОК, К2 – ниже сброса сточных вод очистных сооружений ООО «Водосбыт», К3 – устье.
Описание растительности, оценка состояния древесных растений, отбор проб воды, донных отложений (ДО), почв и растительных образцов, аналитические исследования и обработка результатов проводились с использованием комплекса общепринятых апробированных методов.
Характеристика растительных сообществ в долинах рек. Флора долин рек Таналык, Худолаз и Карагайлы насчитывает 180 видов сосудистых растений, относящихся к 128 родам и 44 семействам. В общем спектре жизненных форм преобладают гемикриптофиты (41,5-61,1%) и в данную группу в основном входят растения центральной поймы. Для фитоценозов в долинах рек Таналык, Худолаз и Карагайлы характерно увеличение доли антропотолерантных видов растений по мере роста техногенной нагрузки на среду [3].
Видовое разнообразие и относительное жизненное состояние (ОЖС) ивняков. В поймах рек Таналык, Худолаз и Карагайлы на территории створов встречаются 6 видов ив: Salix alba L., S. cinerea L., S. dasyclados Wimm., S. triandra (f. discolor и f. concolor) L., S. viminalis L. и S. vinogradowii A. Skvorts. ОЖС зарослей S. cinerea составляет 70-96%, S. triandra (f. discolor) – 68-99%, S. triandra (f. concolor) – 58-93%, S. alba – 82-96%, S. viminalis – 73-90%, S. vinogradowii – 96% и S. dasyclados – 94% (последние два вида встречаются только в прибрежной зоне р. Таналык на территории нижнего створа). При этом ослабленные растения S. cinerea произрастают на кислых почвах (р. Карагайлы, ниже сброса стоков); ослабление S. viminalis вызвано паразитированием Cuscuta lupuliformis Krock. (р. Таналык, створ выше п. Бурибай). В составе ивняков в поймах рек максимальным обилием и постоянством характеризуется S. triandra (f. discolor), ОЖС которой в условиях загрязнения характеризуется как «здоровое». Поэтому S. triandra (f. discolor) была выбрана для детальных исследований.
Содержание и распределение тяжелых металлов в воде рек. По результатам государственного аналитического контроля в р. Таналык в целом характеризовалась как «грязная», V класса качества; качество воды в р. Худолаз соответствовало уровню VII класса – «чрезвычайно грязная» [1]. Повышение концентраций элементов относительно предельно-допустимых концентраций (ПДК) наиболее выражено весной. Так, в это время года содержание ТМ в воде р. Таналык (створ в зоне влияния БГОК) составляет: по Cu – 62 ПДК, Zn – 8 ПДК, Mn – 35 ПДК, Fe – 3 ПДК; в воде р. Худолаз (створ в зоне влияния СФУГОК): по Cu – 19 ПДК, Zn – 151 ПДК, Mn – 51 ПДК, Fe – 2 ПДК. В период весеннего паводка ТМ попадают в реки с талыми водами и с поверхностным стоком, также происходит размыв ДО и вторичное загрязнение водоемов.
В воде р. Худолаз сезонная изменчивость содержания ТМ (в условиях влияния СФУГОК) следующая: Cu – 12 ПДК (лето), 19 ПДК (осень) и 15 ПДК (зима); Zn – 115 ПДК (лето), 122 ПДК (осень) и 134 ПДК (зима); Mn – 10 ПДК (лето), 18 ПДК (осень) и 88 ПДК (зима); Fe – 2 ПДК (лето), осенью и зимой – на уровне ПДК.
Содержание и распределение тяжелых металлов в донных отложениях рек. В образцах донных осадков высоким содержанием по валовой форме отличаются Cu, Zn и Cd. Отмечены превышения нормативов содержания данных металлов в ДО р. Таналык, створ ниже п. Бурибай (после впадения стоков БГОК): по Cu – в 8,8 раз, Zn – в 3,1 раза, Cd – в 4,0 раза; р. Худолаз, ниже п. Калинино (после впадения стоков предприятий г. Сибай): по Cu – в 2,6 раза, Zn – в 2,4 раза и Cd – в 2,5 раза; р. Карагайлы, ниже сброса шахтных вод СФУГОК: по Cu – в 9,5 раз, Zn – в 5,3 раза и Cd – в 1,8 раз.
Выявлена положительная корреляционная связь между концентрацией Cu в воде рек (мг/л) и ее содержанием в ДО (мг/кг) (r = 0,96), а также в глинистой фракции ДО (мг/кг) (r = 0,99).
Содержание и распределение тяжелых металлов в аллювиальных почвах рек. Доля потенциально активных форм ТМ (рассчитанная как процентное содержание подвижных форм металлов от их валового количества) наибольшая в зонах максимального техногенного загрязнения и составляет для аллювиальных почв р. Таналык, ниже п. Бурибай, по Cu – 78,9% и Zn – 50,3% (замыкающий створ по Zn – 60,8%); для аллювиальных почв р. Худолаз, ниже п. Калинино, по Cu – 53,9% и Zn – 72,0% (замыкающий створ – 70,2% и 68,0% соответственно); для аллювиальных почв р. Карагайлы, ниже сброса шахтных вод СФУГОК по Cu – 51,2%; ниже сброса стоков – 62,8%; устье реки – 53,0%.
Выявлена положительная корреляционная связь между валовым содержанием Fe в аллювиальных почвах (мг/кг) и в образцах ДО (мг/кг) (r = 0,76), также высокий коэффициент корреляции отмечен между содержанием Fe и Zn (r = 0,75). Достоверные корреляционные связи между содержанием ТМ в глинистой фракции ДО (мг/кг) и их концентрацией в аллювиальных почвах (мг/кг) по валовой форме выявлены для Cd (r = 0,97), а также для пар Mn-Fe (r = -0,72), Fe-Zn (r = -0,64), Cd-Pb (r = 0,76) и Pb-Cu (r = 0,65); по подвижной форме – Mn-Zn (r = 0,66) и Zn-Pb (r = -0,66).
Содержание тяжелых металлов в различных органах растений S. triandra (f. discolor) в условиях пойм рек Зауралья. Среднее содержание ТМ в различных органах S. triandra (f. discolor) в целом не превышает нормативов, установленных для растений. При этом наибольшими концентрациями набора элементов характеризуются растения, произрастающие в пойме р. Карагайлы (рис. 1).
Рисунок 1. Содержание ТМ в различных органах S. triandra (f. discolor), произрастающих в поймах рек Таналык, Худолаз и Карагайлы (мг/кг сух. в-ва).
А – содержание элементов в листьях, Б – в ветвях, В – в коре, Г – в корнях.
Условные обозначения створов даны в тексте.
Максимальная концентрация Cu отмечается в листьях (2,6-4,2 мг/кг сух. в-ва) и в корнях (6,4-12,4 мг/кг), Zn – в коре (30,3-45,7 мг/кг) и в листьях (14,4-35,4 мг/кг), Mn – преимущественно в листьях (7,8-153,6 мг/кг), Fe – в корнях (44,4-159,2 мг/кг), а Pb и Cd – в коре (0,2-0,4 и 0,3-3,0 мг/кг сух. в-ва соответственно).
Величина коэффициента биологического поглощения (КБП), рассчитанная как отношение содержания элемента в золе растений к концентрации его подвижной формы в почве, для Cu в различных органах растений S. triandra (f. discolor) не превышает 1: следовательно, Cu не накапливается растением. Накопление Mn достигает наибольшей величины в листьях – 9,7 (р. Худолаз, створ после впадения стоков предприятий г. Сибай). На территории того же створа отмечается максимум поглощения Mn в ветвях – 1,5; а в условиях нижнего створа реки наблюдаются максимумы КБПMn в коре – 2,1 и в корнях – 1,8. Наибольшие значения КБПFe характерны для растений S. triandra (f. discolor), произрастающих в пойме р. Карагайлы. На территории створа ниже сброса шахтных вод СФУГОК максимальные показатели накопления металла отмечаются в корнях – 23,5 и в коре – 6,1; а в устье реки: в листьях – 7,3 и в ветвях – 2,0. Высокий показатель КБПPb наблюдается в корнях и в коре – 5,2 (р. Карагайлы, ниже сбросов СФУГОК), на этих же участках реки аккумуляция элемента достигает наибольшей величины в листьях – 3,1; а максимум КБПPb в ветвях отмечается на р. Таналык, створ выше п. Бурибай – 2,9. Наибольшие и наименьшие величины КБПZn в органах S. triandra (f. discolor) наблюдаются в условиях поймы р. Таналык, причем максимумы характерны для верхнего створа, минимумы – для створа ниже п. Бурибай (зона влияния БГОК). Так, КБПZn в коре на соответствующих участках реки изменяется от 5,4 до 64,4; в листьях – 3,1-57,6; в ветвях – 2,0-34,8 и в корнях – 1,2-15,6. Согласно полученным данным, аккумуляция Zn в S. triandra (f. discolor) обратно пропорциональна его содержанию в почвах, т.к. средняя концентрация элемента в аллювиальных почвах р. Таналык в условиях верхнего створа составляет по валовой форме 29,1 мг/кг, по подвижной форме – 5,6 мг/кг, а на участках реки ниже п. Бурибай – 64,5 мг/кг и 32,5 мг/кг соответственно. Максимальные значения КБПCd отмечаются в коре S. triandra (f. discolor) – от 160,7 (р. Худолаз, верхний створ) до 944,9 (р. Карагайлы, устье). Наименьшие показатели наблюдаются в корнях: от 32,8 (р. Таналык, нижний створ) до 223,5 (р. Карагайлы, ниже сброса шахтных вод СФУГОК). Промежуточное положение занимают листья – 49,5-434,6 и ветви – 33,2-485,6; где минимумы прослеживаются в условиях нижнего створа р. Таналык, максимумы – в пойме р. Худолаз (п. Калинино и нижний створ соответственно).
Анализ зависимости содержания данных элементов в различных органах S. triandra (f. discolor) показывает наличие положительных корреляционных связей между содержанием Zn и Cd в листьях (r = 0,90), в ветвях (r = 0,91), в коре (r = 0,87) и в корнях (r = 0,94).
Зависимость между содержанием ТМ в органах S. triandra (f. discolor)и концентрацией подвижных форм ТМ в аллювиальных почвах не обнаружена. При этом выявлены положительные корреляционные связи между валовой концентрацией Fe в почвах и в листьях (r = 0,70), а также в коре (r = 0,71) и в корнях (r = 0,79).
В системе корреляционных зависимостей элементов, находящихся в образцах ДО и в S. triandra (f. discolor) отмечены положительные корреляционные связи для Zn – в корнях (r = 0,82), Fe – в коре (r = 0,72) и в корнях (r = 0,74); а также отрицательные связи для Pb – в листьях (r = -0,66) и в ветвях (r = -0,68).
Заключение
Установлено, что под воздействием антропогенного загрязнения среды происходит изменение структуры и видового состава фитоценозов: наблюдается уменьшение участия видов естественных сообществ и возрастание доли антропотолерантных видов растений. В составе ивняков в поймах изученных рек максимальным обилием и постоянством обладает S. triandra (f. discolor), относительное жизненное состояние зарослей в условиях антропогенного загрязнения характеризуется как «здоровое». Преобладающими загрязняющими ингредиентами вод рек Зауралья являются Cu, Zn, Mn и Fe. Донные отложения и аллювиальные почвы рек Таналык, Худолаз и Карагайлы загрязнены Cu и Zn, что связано с разработкой в регионе медно-колчеданных месторождений. По среднему содержанию в различных органах S. triandra (f. discolor), произрастающих в поймах изученных рек, тяжелые металлы образуют следующий ряд по убыванию: Fe>Mn>Zn>Cu>Cd>Pb. Согласно коэффициенту биологического поглощения элементы располагаются в таком порядке: Cd>Zn>Fe>Mn>Pb>Cu. При этом к элементам сильного накопления можно отнести Cd и Zn; к элементам слабого накопления – Fe, Mn и Pb; к элементам слабого захвата – Cu.
Исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Агидель».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: