CC BY
87
УДК 581.5:574.34:574.45
РЕАКЦИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ НЕФТЕПРОДУКТАМИ
Заушинцена А. В., Заушинцен А. С., Мальцева А. Т., Свиркова С. В., Тарасова И. В., Барышева О. В.
VEGETATION DEGRADATION DUE TO SOIL POLLUTION WITH OIL
A. V. Zaushintsena, A. S. Zaushintsen, А. Т. Maltseva, S. V. Svirkova, I. V. Tarasova, O. V. Barysheva
В условиях модельного опыта темно-серая лесная почва загрязнена нефтепродуктами (моторное масло, дизельное топливо). Предварительно идентифицировано 60 видов растений из 20 семейств. Максимальное число из них (8 - 9 видов) были в семействах Asteraceae, Fabaceae, Poaceae. От загрязнения погибло 30 % видов растений. Хорошая выносливость к загрязнителям характерна для Cirsium setosum (Willd.). За 4 года (2010 - 2013) отмечено частичное восстановление растительного покрова.
Ina modeling experiment, darkgray forest soilwas contaminated withpetroleum products (motor oil, diesel fuel). Preliminarily 60 plant species from 20 familieshad been identified, the maximum numberof them (8 - 9 species) belonging to the families Asteraceae, Fabaceae, Poaceae. Pollutionkilled 30 % of plant species. Goodresistance topollu-tantsis characteristic of Cirsium setosum (Willd.). In 4 years (2010 - 2013) partial revegetation was observed.
Ключевые слова: почва, нефтепродукты, растения, виды, значимость видов, деградация растительного покрова.
Keywords: soil, oil, plant species, importance of species, degradation of vegetation.
Одним из самых опасных загрязнителей окружающей среды являются углеводородные продукты (нефть, нефтепродукты, их производные). В процессе оценки воздействия углеводородного загрязнения почвы на экологическое состояние ландшафтов важно учитывать, что содержащиеся в ней нефтепродукты оказывают прямое воздействие не только на структурно-агрегатный состав, физические и химические свойства, но и на биологические системы. Прежде всего, это выражено в изменении видового состава растительного покрова, снижении его биологической продуктивности и даже в полном исчезновении некоторых из них [2]. В научной литературе достаточно сведений, отражающих реакцию растений на загрязнение естественных и агрофитоценозов [5; 7; 8; 10]. В связи с этим важно мобилизовать природные резервы почвенной и напочвенной биоты и направить на разложение углеводородных поллютантов. Эффективность результата будет зависеть от комплексной оценки биоценозов и выделения наиболее выносливых к загрязнению видов, которые можно было бы рекомендовать в качестве фиторекультиваторов. Наряду с другими биологическими системами они позволяют обеспечить стабильность процесса биологического распада загрязнителей при относительно невысокой стоимости затрат [3]. В этом направлении выполнены наши исследования.
Цель исследований: оценка степени деградации растительного покрова в результате загрязнения почвы нефтепродуктами. Сформулированы и реализованы задачи по изучению видового состава растительного покрова и биопродуктивности в зависимости от вида и концентрации загрязнителя в почве, влияния внесенной дозы микороорганизмов-деструкторов марки «Биоойл-Югра».
Исследования проведены на опытном полигоне Кемеровского государственного университета в условиях модельного опыта с загрязнением почвы отработкой моторного масла и дизельного топлива в концентрациях: 1 %, 5 % и 10 %. Почва - темно-серая
лесная среднесуглинистая по гранулометрическому составу. Погодные условия были разными:
2010 и 2011 гг. - относительно благоприятные по гидротермическому режиму;
2012 г. - острозасушливый;
2013 г. - с количеством осадков, значительно превысившим среднюю многолетнюю норму.
Исследования видового состава растительного покрова проведены в соответствии с методикой гео-ботанического описания [10], биопродуктивность -весовым методом с предварительным высушиванием растительных проб до воздушно-сухого состояния. Определена общая биомасса растений, включая, растительный опад, массу надземной части растений и корневую систему на глубину 0 - 30 см.
Схема опыта:
1 - общий контроль (почва без загрязнения нефтепродуктами);
2 - загрязнение почвы отработкой моторного масла (ММ) в концентрации 1 % (1 % ММ);
3 - 1 % ММ + нефтедеструктор (НД);
4 - 5 % ММ;
5 - 5 % ММ + НД;
6 - 10 % ММ;
7 - 10 % ММ + НД;
8 - 1 % дизельного топлива (ДТ);
9 - 1 % ДТ + НД;
10 - 5 % ДТ;
11 - 5 % ДТ + НД;
12 - 10 % ДТ;
13 - 10 % ДТ + НД.
Опыты заложены на делянках площадью 3 м2 в 4-х кратной повторности. В качестве нефтедеструкто-ра использован биопрепарат марки «Биоойл-Югра», который состоит из ассоциации углеводород-окисля-ющих бактерий. Статистическая обработка данных осуществлена дисперсионным методом [4] с применением пакета прикладных программ ЗіаНБНеа 6.0 на ПК.
Результаты исследований и их обсуждение Опасность исследованных загрязнителей, прежде всего, связана с высокой чувствительностью к ним высших растений. Известно, что они занимают ведущее положение практически во всех наземных экосистемах и определяют существование, состав и значимость других представителей биоты как компонентов биогеоценозов [6; 8; 11]. В зависимости от силы техногенного давления можно наблюдать реакцию растений и их уязвимость. В нашем эксперименте методом геоботанического описания [9] выявлен видовой состав растительного покрова на молодой залежи (с 2004 по 2010 гг.), территория которой выделена под
Хозяйственная 31
модельный полигон. В общей сложности определено 60 видов, характеризующих 6-летнюю сукцессию, представленную ассоциацией злаково-разнотравного луга.
Анализ хозяйственной значимости показал разно-направленность видов по целям возможного использования (табл. 1). Среди них 75,0 % отнесено к лекарственным, 40,0 - к пищевым, по 38,3 - к кормовым и медоносным, 35,0 % - к декоративным. Почти половина (46,7 %) из всего учтенного разнообразия представлена сорными видами, отражающими характерную черту восстановительныхсукцессий [13; 14] этого возраста.
Таблица 1
шмость растений
Хозяйственная значимость видов Число видов*
2010 г. (до закладки опыта) 2011 г. 2012 г. 2013 г.
экз. % от общего числа экз. % от общего числа экз. % от общего числа экз. % от общего числа
Пищевые 24 ± 1,49 40,0 7 ± 1,02 11,7 13 ± 1,26 21,7 14 ± 1,35 23,3
Кормовые 23 ± 1,50 38,3 8 ± 1,14 13,3 16 ± 1,26 26,7 23 ± 1,47 38,3
Медоносные 23 ± 1,42 38,3 5 ± 0,44 8,3 13 ± 2,06 21,7 14 ± 1,97 23,3
Лекарственные 45 ± 6,3 75,0 13 ± 1,23 21,7 29 ± 2,31 48,3 30 ± 2,56 50,0
Декоративные 21 ± 1,24 35,0 2 ± 0,12 3,3 7 ± 0,99 11,7 11 ± 2,11 7,3
Технические 10 ± 1,97 16,6 3 ± 0,19 5,0 5 ± 0,88 8,3 6 ± 0,99 10,0
Сорные 28 ± 2,30 46,7 14 ± 1,25 23,3 23 ± 1,45 38,3 23 ± 1,44 38,3
Ядовитые 6 ± 0,86 10,0 3 ± 0,14 5,0 3 ± 0,15 5,0 3 ± 0,21 5,0
Примечание: *Достоверно при Р005.
Рис. 1. Влияние загрязнителей на сохранность разных по значимости видов растений, %
После загрязнения почвы отработкой моторного масла и дизельного топлива отмечено значительное сокращение видов. В конце вегетационного периода 2010 г. в целом по опыту сокращение их числа по группам значимости произошло в 2,0 (ядовитые и
сорные) - 10, 6 раз (декоративные). Повышение показателей отмечено с 2012 г., когда произошло существенное нарастание численности (рис. 1).
В 2013 г. этот процесс продолжился, но с большей скоростью в группе лекарственных растений, значи-
тельно медленнее - в группах пищевых, медоносных, сорных. В группах с медленно восстанавливающейся численностью причинами могли быть слабая сила роста зачатков жизни и скорость возобновления всхожести семян из запасов, находящихся в почве, а также засуха предыдущего сезона, ограничившая запасы продуктивной влаги, необходимой для благоприятного развития растений.
Не возобновились в условиях опыта 18 видов, имеющих важное значение для поддержания пространственной структуры растительных сообществ, их разнообразия в биоценотических связях в качестве резерва для пополнения и замещения доминантов, что придаёт биоценозу устойчивость и обеспечивает надежность его функционирования в разных условиях (таблица 2).
Таблица 2
Хозяйственная значимость исчезнувших растений в результате загрязнения почвы
№ п/п. Название растения Семейство Хозяйственная значимость
русское латынь
1 Борщевик расчлененный Heracleum dissectum Appiaceae пищевое, медонос, ядовитое
2 Василистник жёлтый Thalíctrum flávum Ranunculaceae медонос, декоративное
3 Вейник тупочешуйный Calamagrostis obtusata Gramineae кормовое
4 Вероника Крылова Veronica Krylovii Scrophlarinacea декоративное, медонос
5 Вздутоплодник волосистый Phlojodicarpus villosus Apiaceae лекарственное, техническое
6 Дудник лесной Angelica silvestris Apiaceae лекарственное, кормовое, пищевое, медонос
7 Живокость высокая Delphinium elátum Ranunculaceae лекарственное, декоративное
8 Зопник клубневидный Phlomis tuberosa Laminaceae пищевое, лекарственное, кормовое, медонос
9 Колокольчик олений Campanula cervicaria Campanulaceae декоративное
10 Крапива жгучая Urtica urens Urticaceae пищевое, кормовое, лекарственное, сорное
11 Кровохлёбка лекарственная Sanguisorba officinális Rosaceae кормовое, лекарственное, медонос, декоративное
12 Лапчатка золотистая Potentilla chresantha Rosaceae лекарственное, техническое, декоративное
13 Лютик едкий Ranunculus acris Ranunculaceae лекарственное, медонос, декоративное, ядовитое.
14 Лобазник вязолистный Filipéndula ulmária Rosaceae техническое, медонос, пищевое, декоративное, лекарственное
15 Папоротник орляк Pteridium aquilinum Hypolepidaceae лекарственное, пищевое, техническое, ядовитое.
16 Спорыш птичий (горец птичий) Polygonum aviculáre Polygonaceae лекарственное, пищевое, кормовое, техническое, сорное
17 Щавель пирамидальный Rumex thyrsiflorus Polygonaceae сорное, кормовое
18 Ястрибинка зонтичная Hieracium umbelatum Asteraceae лекарственное, сорное, техническое
Идентификация видового состава растительности на делянках с разной концентрацией загрязнителей также подтвердила выше указанную закономерность (рис. 2), выявлена четкая тенденция в том, что отработка моторного масла влияет менее токсично на растения и их зачатки (варианты 2 - 7), чем дизельное топливо (варианты 7 - 13). В 6 - 20 раз снизилось число видов в первом случае и в 10 - 60 раз - во втором. На делянках, загрязненных дизельным топливом, в 2011 г. сохранилось лишь по 3 растения Cirsium setosum (Willd.), который, видимо, за счет корневой системы (корневых отпрысков), содержащей достаточно большое количество влаги и растворённых в ней элементов питания, выжил на всех без исключения вариантах опыта. Условно выносливыми были Galeopsis bifida Boenn. и Amaranthus retroflexus L.,
сохранившиеся на первых 7 вариантах. На 4 - 5 делянках с меньшими концентрациями загрязнителей продолжали вегетировать: гречишка вьюнковая, желтушник левкойный, звездчатка злаковая, костёр безостый, пастушья сумка, чистец болотный и щетинник зелёный. Нет статистически достоверных различий по общей численности видов на загрязненных делянках без обработки биопрепаратом - деструктором углеводородов - и на делянках с его применением. Вместе с тем видовое разнообразие имеет место быть. Так, дрёма белая выявлена на вариантах 7 - 9, жабрей двураздельный - на 2 - 5, 8, 11. Это, скорее всего, характеризует их размещение в исторически сложившемся когда-то в структуре изучаемой ассоциации в процессе приспособления к определенным абиотическим и биотическим условиям ландшафта. Они составляют
группировки, отражающиегоризонтальную структуру пятнистостей каждого вида. ассоциации в виде различного рода узорчатостей,
Примечание: * Варианты опыта приведены в соответствии со схемой опыта.
Рис. 2. Влияние загрязнителей на численность видов по вариантам опыта
Важным аспектом данных исследований является изучение продуктивности растительности как современного фактора, влияющего на почвообразование [1]. Данные о запасах надземной и подземной фитомассы дают представление о количестве растительного вещества, участвующего в биологическом круговороте, а также раскрывают пути приспособления различных экосистем к изменяющимся факторам воздействия. Во все годы исследований получены результа-
ты по оценке биологической продуктивности растений (таблица 3). В силу влияния разных абиотических факторов (погодные условия, элементы питания в почве и концентрации загрязнителей) получены неоднозначные результаты и выявлены закономерности, отражающие сложные системы взаимодействия почвенной биоты в процессе очищения среды обитания, которые не единожды выявлены другими исследователями [5; 12].
Таблица 3
Средняя биопродуктивность растений с единицы площади
Вариант опыта 2010 г. 2013 г.
биомасса, г/м 2 % к общему контролю % к контролю загрязнителя биомасса, г/м 2 % к общему контролю % к контролю загрязнителя ± % к 2010 г.
1 608,5 - - 1908,9 - - 313,7
2 786,4 129,2 - 975,5 51,1 - 124,0
3 902,4 148,3 114,7 1446,5 75,8 148,3 160,3
4 418,4 68,7 - 1464,7 76,7 - 350,1
5 771,2 126,7 184,3 1896,8 99,4 129,5 245,9
6 262,8 43,2 - 1105,0 57,9 - 420,5
7 574,8 94,5 218,7 1298,8 68,3 117,5 225,9
8 423,2 21,7 - 997,8 52,3 - 230,7
9 503,2 82,7 408,4 1093,6 57,9 109,6 217,3
10 206,8 34,0 - 958,6 48,2 - 463,0
11 234,0 38,5 113,1 1082,7 56,7 112,9 462,7
12 84,8 13,9 - 590,3 30,9 - 696,0
13 125,2 20,6 147,7 656,1 34,4 11,1 524
НСР 05 87,9 - - 146,3 - - -
Анализ четырехлетних результатов эксперимента показывает постепенное увеличение биомассы растений, особенно существенный прирост получен в 2013 г. по отношению к 2010 г. Биопродуктивность растений с делянок с общего контрольного варианта, не загрязнен-
ного нефтепродуктами, возросла на 313,7 %. Этому способствовало наличие большого количества осадков в сочетании с положительным температурным режимом воздуха. На загрязненных делянках превышение составило 124 - 696 %, но не выявлено вариантов выше об-
щего контрольного показателя, что свидетельствует о недостаточной степени очистки почвы.
В первый год исследований в трёх вариантах (2, 3, 5) отмечена статистически достоверная прибавка биомассы (на 26,7 - 48,3 %) по отношению к общему контролю. С одной стороны, это очевидный стимулирующий эффект от внесения невысоких концентраций (1 - 5 %) отработки моторного масла, а с другой -усиление окислительных процессов за счет внесения микроорганизмов-нефтедеструкторов. С повышением концентраций загрязнителя, особенно дизельного топлива, не исключены полная гибель растений и их зачатков, фенологические отклонения от нормы, в том числе в виде появления гигантских или карликовых форм, нарушения нормальных пропорций во внешнем облике растений и другие [5], что привело к резкому снижению биомассы - от 61,5 % до 86,1 % (варианты
10 - 13). Использование биопрепарата марки «Био-ойл-Югра» в целом способствует активизации ростовых процессов, что доказано статистически достоверным увеличением биомассы растений (варианты: 2, 4,
6, 8, 10) по отношению к контролю загрязненных фонов (1, 3, 5, 7, 9).
Аналогичная закономерность прослеживается и в остальные годы. Исключение составляют значения биопродуктивности на вариантах 12 и 13 как в начале исследований, так и в конце (2013 г.), когда при 10 % концентрации дизельного топлива они составили 13,9 - 20,6 % и 30,9 - 34,4 % соответственно к общему контролю и фактически не различались между
собой. Это в первом случае вызвано почти полной гибелью растений, за исключением единичных экземпляров С1твтт ^'вШ'ит (ШИШ.), а во втором - за счет компенсации биомассой разнокомпонентности популяции растений. Структура популяции загрязненного контроля (вариант 12) представлена 11 видами, в числе которых: бодяк щетинистый, горошек мышиный, дрема белая, пикульник двураздельный, овсяница луговая, костер безостый и др. В варианте с обработкой биопрепаратом (13) идентифицированы 6 видов: бодяк щетинистый, полынь обыкновенная, пырей ползучий, тимофеевка луговая, звездчатка злаковая, фиалка полевая. Первый из них является доминантным, занимает, примерно, 65 % площади делянки, формирует объемную фитомассу, но теряет около 35 - 40 % за счет удаления влаги при сушке.
В целом результаты эксперимента на модельных площадках отражают высокую опасность для экологического состояния сопряженных сред «почва - растительный покров» при загрязнении нефтепродуктами, что приводит к нарушению их гомеостаза.
Выводы
1. Загрязнение почвы нефтепродуктами привело к исчезновению 30 % видов растений из общей популяции растительного покрова.
2. Использование биопрепарата марки «Биоойл-Югра» положительно влияет на повышение биологической продуктивности растительного покрова.
Литература
1. Воронов, А. Г. Геоботаника / А. Г. Воронов. - М.: Высш. шк., 1963. - 384 с.
2. Гашева, М. Н. Состояние растительности как критерий нарушенности лесных биоценозов при нефтяном загрязнении / М. Н. Гашева, Н. С. Гашев, А. В. Соромотин // Экология. - 1990. - № 2. - С. 77 - 78.
3. Грищенко, О. М. Ботанические аномалии как поисково-разведочный критерий нефтегазоносности / О. М. Грищенко // Экология. - 1982. - № 1. - С. 18 - 22.
4. Доспехов, Б. А. Дисперсионный анализ / Б. А. Доспехов // Методика полевого опыта. - М.: Колос, 1985. -381 с.
5. Зволинский, В. П. Развитие сельскохозяйственных культур в условиях нефтяного загрязнения почв /
В. П. Зволинский, Е. К. Батовская, А. Н. Бондаренко // Земледелие. - 2008. - № 2. - С. 8 - 9.
6. Звягинцев, Д. Г. Растения как центры формирования бактериальных сообществ / Д. Г. Звягинцев,
Т. Г. Добровольская, Л. В. Лысак // Журнал общей биологии. - 1993. - Т. 54. - № 2. - С. 183 - 199.
7. Корсунова, Т. М. Реакция сельскохозяйственных растений на загрязнение почвы нефтью / Т. М. Корсу-
нова, Е. В. Коновалова // Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции «Инновации - приоритетный путь развития АПК». - Кемерово, 2009. - С. 98 - 100.
8. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д. Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1991. -304 с.
9. Миркин, Б. М. Современная наука о растительности / Б. М. Миркин, Л. Г. Наумова, А. И. Соломещ. - М., 2000. - 264 с.
10. Работнов, Т. А. Фитоценология / Т. А. Работнов. - М.: Изд-во МГУ, 1978. - С. 12 - 36.
11. Сизых, А. П. Структурно-динамическая характеристика современного экологического состояния и прогноза развития растительности Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения (Иркутская область) / А. П. Сизых // Инженерная экология. - 2009. - № 6. - С. 2 - 16.
12. Хазиев, Ф. Х. Методы почвенной энзимологии / Ф. Х. Хазиев. - М.: Наука, 2005. - 252 с.
13. Luzuriaga, A. L. What determines emergence and net recruitment in an early succession plant community? Disentangling biotic and abiotic effects / A. L. Luzuriaga, A. Escudero // J. Veget.Sci. - 2008. - V. 19. - № 4. -P. 445 - 456.
14. Oldfield secondary succession in SE Spain: can fire ivert it? / V. M. Santana [et al.] // Plant Ecol. - 2010. -V. 211. - № 2. - P. 337 - 349.
Информация об авторах:
Заушинцена Александра Васильевна - доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники КемГУ, 8-923-606-38-85, alexaz58@vandex.ru.
Alexandra V. Zaushintsena - Doctor of Biology, Professor at the Department of Botany, Kemerovo State University.
Заушинцен Антон Сергеевич - соискатель Кемеровского государственного университета, 8-923-606-38-85, alexaz58@vandex.ru.
Anton S. Zaushintsen - post-graduate student at Kemerovo State University.
Мальцева Алла Тихоновна - кандидат биологических наук, доцент кафедры ботаники КемГУ, 8-923-606-38-85, alexaz58@vandex.ru.
Alla T. Maltseva - Candidate of Biology, Assistant Professor at the Department of Botany, Kemerovo State University.
Свиркова Светлана Валерьевна - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры ботаники КемГУ, 8-913-404-61-49, svsvirkova@yandex.ru.
Svetlana V. Svirkova - Candidate of Agricultural Science, Assistant Professor at the Department of Botany, Kemerovo State University.
Тарасова Ирина Викторовна - ведущий инженер кафедры ботаники КемГУ, 8-913-289-37-78, itarasova14@yandex.ru.
Irina V. Tarasova - Senior Engineer at the Department of Botany, Kemerovo State University.
Барышева Ольга Валерьевна - кандидат биологических наук, доцент кафедры ботаники КемГУ, 8-960-900-65-10, alexaz58@yandex.ru.
Olga V. Barysheva - Candidate of Biology, Assistant Professor at the Department of Botany, Kemerovo State University.
Статья поступила в редколлегию 03.02.2014 г.
