CC BY
50
Л.Ф. Шепелева, Е.А. Тарусина, А.И. Шепелев, В.Н. Фролов
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ ПОСЛЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ
Рассмотрена динамика растительности на постоянных пробных площадях после проведения полного комплекса рекультива-ционных работ. Показаны различия террасных и пойменных участков по скорости и характеру восстановления растительного покрова, обусловленные геохимическими условиями миграции солей и нефтепродуктов в почвах.
В основу рекультивации загрязненных нефтью земель Среднего Приобья положен метод их очистки на месте разлива, основывающийся на активизации естественных физико-химических и биохимических факторов очищения почв от нефти и последующего восстановления исходных биогеоценозов. Разработаны и применяются различные методы и средства ликвидации нефтяного загрязнения объектов природной среды [1, 2]. Однако восстановления растительного покрова, указывающего на достаточную степень очистки почв от нефтепродуктов, как правило, не происходит [3, 4].
Были заложены постоянные пробные площади на нефтезагрязненных участках Южно-Сургутского и Усть-Балыкского месторождений для изучения хода восстановления растительности после проведения рекультива-ционных мероприятий и для оценки их эффективности. Мониторинговые участки расположены в различных геоморфологических и почвенных условиях, а именно, Южно-Сургутское месторождение характеризует экологические и почвенно-геохимические условия второй террасы, а Усть-Балыкское - условия поймы Оби [5].
Исследуемый участок Южно-Сургутского месторождения представляет собой периферийную часть верхового болота, примыкающего к гряде, сложенной супесчаными осадками под кедрачом кустарничково-зеленомошным. Площадки Усть-Балыкского месторождения расположены в пойме Оби. Аллювиальные грунты - глинистые, почвы торфяные, исходная растительность до загрязнения представляла сочетание водно- и остроосоковых торфянистых лугов с ивняками вейниковыми. Восстановительные работы после аварийного разлива проведены в 2002-2003 гг. и включали полный комплекс рекультивационных мероприятий. Для залужения участков высевались Phleum pratense, Bromopsis inermis, Festuca pratensis.
Исследования проводились на естественных и нефте-загрязненных участках летом 2003-2006 гг. На пробных площадях ежегодно выполнялись геоботанические описания с полным учетом видового состава и пространственной структуры фитоценозов. Производился отбор почвенных образцов для химического анализа [4]. Выполнена экологическая оценка местообитаний [6] по активному богатству и засолению почв (БЗ) и увлажнению (У). Расчеты проводились методом определения среднего показателя [7]. Смещение точек, характеризующих положение фитоценозов в поле координат факторов У и БЗ, позволяет оценивать глубину и направленность динамических процессов [7, 8]. Геоботанические описания анализировались по количеству видов, числу и обилию видов древесных растений, кустарников, кустарничков, трав, одно-, двулетних видов, соотношению экологических групп [9] по увлажнению и трофности.
На пойменном Усть-Балыкском месторождении
заложено 3 пробных площади (табл. 1, 3; рис. 1): Т1 -ложбина, Т2 - ложбина на месте ивняка, Т3 - отсыпка песком на периферии нефтезагрязненного участка). Результаты оценки по экологическим шкалам Л.Г. Раменского (рис. 1) показали, что растительность участка развивается в мезоэутрофных сырых (Т3) и болотистых (Т1, Т2) условиях, т.е. здесь преобладают влаголюбивые виды растений, которым для жизнедеятельности необходимы достаточно богатые почвы.
Мониторинговая площадка Т1. Проростки кустарников и всходы трав появились летом 2003 г. Наибольшее количество видов растений и видов-малолетников наблюдалось на второй год наблюдений (2004), который был более сухим, чем предыдущий. Последнее отразилось на результатах экологической оценки местообитания по увлажнению, произошло перемещение положения фитоценоза вдоль шкалы У в сторону сырых лугов (рис. 1). В 2005 г., когда вода стояла на поверхности, произошло резкое снижение числа видов в травостое, проективного покрытия одно-, двухлетних видов (Bidens tripartita, Persicaria hydropiper, Callitriche palustris, Alopecurus aequalis, Juncus bufonius). Начали преобладать корневищные злаки и осоки (Carex aquatilis, C. vesicaria, Phalaroides arun-dinacea, Calamagrostis neglecta), сформировавшие сплавину на поверхности воды. В 2006 г. структура растительного покрова стала более однородной.
В целом за время наблюдений увеличилось число и общее проективное покрытие (ОПП) видов ив (Salix cinerea, S. viminalis, S. pentandra, S. triandra), увеличение ОПП травостоя до 100%, однако его мозаичность сохранилась. В травостое преобладают C. aquatilis и C. vesicaria. Присутствие малолетников снизилось до единичного. В составе фитоценоза увеличилось содержание мезотрофов. Это указывает на успешно протекающий процесс восстановления исходной растительности, несмотря на высокое содержание солей и нефтепродуктов в почве (см. табл. 3).
Мониторинговая площадка Т2. Пониженный участок, который после срезания кустарника и кочек характеризовался наличием бугров, борозд, обширных впадин глубиной 10-15 см.
Растительный покров начал формироваться в 2003 г., причем процесс этот происходил более активно на буграх, где появились проростки ив, заросли C. purpurea и C. aquatilis. В понижениях с водой преобладала Alisma plantago-aquatica с участием прибрежно-водных и водных растений (Batrachium circinatum, Sparganium emersum, Scirpus lacustris). В последующие годы травостой оставался неоднородным: на повышениях - ивы, вейники, осоки; в понижениях - Typha latifolia, ежеголовник, частуха подорожниковая.
Динамика растительного покрова пойменного рекультивированного нефтезагрязненного участка
Усть-Балыкское*
№ площадки Год Общее кол-во видов Кол-во видов древесных растений (ОПП, %) Кол-во видов кустарников, кустарничков (ОПП, %) Кол-во видов трав (ОПП, %) Кол-во одно-, двулетников (ОПП, %) Кол-во видов доминирующей экологической группы (ОПП, %)
У БЗ
Т1 2003 27 3 (20) 24 (15-20) 5(16-20) 8 ГпГ (40-45) 8 ГдМ (35) 14 МЭТ (45) 6 МТ (35)
2004 34 3 (20) 31 (35-40) 9 (22) 12 ГдМ (35) 9 ГпГ (55) 9 ГмГ (12) 16 МЭТ (50) 8 ЭТ (12-15) 7 МТ (32)
2005 20 4(35-60) 16 (95-100) 2 (7) 6 ГпГ (90) 6 ГмГ (25-28) 7 МЭТ (40) 6 МТ (120)
2006 20 5 (50 гр) 15 (95-100) 1 (<1) 6 ГдМ (45) 5 ГпГ (110) 7 МЭТ (60) 7 МТ (140)
Т2 2003 14 1 (<1) 13 (15-20) 3 (6) 6 ГмГ (10) 6 МЭТ (10)
2004 17 2 (50) 15 (90) 4 (10) 6 ГмГ (55) 9 МЭТ (105)
2005 18 3(10-15) 15(85-90) 3(30-35) 6 ГмГ (65) 6 ГдМ (42) 8 МЭТ (80)
2006 18 3(15-18) 15(85-95) - 6 ГдМ (52) 7 МТ (38) 6 МЭТ (60)
Т3 2003 15 15 (30-60) 3(12-17) 5 ГмГ (5) 4 ГпГ (3) 3 ГдМ (67) 6 МЭТ (25)
2004 21 1 (1-2) 20 (60) 4 (33) 7 ГдМ (75) 5 ГмГ (6) 9 МЭТ (45)
2005 35 2(1-2) 3 (6-8) 30 (30) 3 (4) 15 ГдМ (40) 9 ЭМ (15) 16 МЭТ (15) 9 МТ (35)
2006 39 3 (3) 4(8-10) 32 (50) 3 (3) 15 ГдМ (50) 12 ЭМ (25) 19 МЭТ (25) 12 МТ (45)
БЗ
сырые болотистые
Рис. 1. Изменение положения фитоценозов пробных площадей Усть-Балыкского месторождения в системе координат экологических шкал У и БЗ за 2003-2005 гг.
В целом на участке произошло увеличение числа видов и ОПП кустарниковых ив, травостоя (до 8595%), снижение содержания однолетних видов. Установилось примерно равное соотношение экологических групп МТ и МЭТ. Происходит восстановление заболоченного ивняка с комплексным травяным покровом из водно-болотных и болотных видов растений.
Мониторинговая площадка Т3. В 2003 г. преобладали виды ситников (Juncus alpinoarticulatus, J. bufo-nius), встречались побеги Phragmites australis. За период наблюдений произошло увеличение числа видов и ОПП травостоя. Обилие малолетников было максимальным в 2004 г., затем начало снижаться. В траво-
стое в первые годы присутствовали гипогалофиты (A. plantago-aquatica, A. aequalis, T. latifolia) и эутрофы (C. acuta). На третий год исследований начали господствовать мезоэутрофы и мезотрофы. В частности, достигли высокого обилия: Equisetum arvense, Agrostis clavata, Anemone dichotoma, Epilobium palustre, Leonto-don autumnalis, Poa palustris, C. epigeios, C. neglecta и др. Появился подрост ив, всходы березы, осины и сосны. Покров J. alpinoarticulatus довольно однороден, размещение других видов имеет пятнистый характер.
За 2003-2006 гг. произошло снижение показателей БЗ и У почв. Однако тип местообитания сохранился, что указывает на стабильность экологических условий.
При авариях нефтепроводов в почву вместе с нефтью попадают пластовые воды, обогащенные СГ, поэтому нефтяному загрязнению сопутствует солевое загрязнение. Для растений обилие солей в почве является важным лимитирующим фактором. На Усть-Балыкском нефтезаг-рязненном участке верхние слои почв очищаются от нефтепродуктов (табл. 3). Однако существенного снижения содержания солей, а также актуальной кислотности в почвах не происходит. Значение рН по-прежнему превышает показатели фоновых почв [4]. Почвы остаются в значительной степени загрязненными, однако это не препятствует развитию растительности.
Южно-Сургутское месторождение. Здесь заложено 6 постоянных пробных площадей (табл. 2, 3, рис. 2): Т1 - рядом с загрязненным участком болота, Т2 - на склоне гривы к болоту, Т3 - на вершине гривы, Т1*, Т2*, Т3* - на подвергнутой рекультивации части болота.
Мониторинговая площадка Т3. Развит типичный среднетаежный фитоценоз - смешанный кедрач кус-тарничково-зеленомошный. В древостое преобладает Pinus sibirica, встречаются P. sylvestris, Betula alba высотой 17-20 м с диаметром стволов 30-50 см. Сомкнутость 0,6. Во втором ярусе встречаются также Abies sibirica, Picea obovata. Хорошо развит подрост. Подлесок редкий из Sorbus sibirica. В травяно-кустарничковом ярусе доминирует (40-45%) Vaccinium myrtillus, присутствуют Ledum palustre, V. vitis-idaea, Linnaea borealis, Oxalis acetosella, Lycopodium annoti-num, C. globularis. В моховом покрове преобладают Pleurozium schreberi (50%), Hylocomium splendens (1518%). Местообитание характеризуется мезоолиготроф-
ными влажными условиями (рис. 2), изменений в составе фитоценоза не прослеживалось.
Мониторинговая площадка Т2. Отличается от Т3 увеличением содержания P. sylvestris, V. vitis-idaea, P. schreberi (80-90%). За время наблюдений существенного изменения экологических условий не происходило (рис. 2), в составе сообщества преобладали мезоолиготрофы.
Мониторинговая площадка Т1. Примыкающая к болоту полоса 4-метровой ширины загрязнена нефтью, хотя уровень поверхности болота ниже на 10 см. Растительность на этой полосе погибла, только на повышениях микрорельефа сохранился единичный погибающий подрост деревьев, отдельные побеги L. palustre, Chamaedaphne calyculata, C. globularis. Хвоя кедра в основном осыпалась, оставшаяся имеет желтую окраску.
Мониторинговая площадка Т1*. Повышенный участок по периферии болота. В 2003 г. присутствовали всходы P. pratense (30%), встречались Eriophorum scheuchzerii, J. bufonius, Chamerion angustifolium и Rumex acetosella. В 2004 г. P. pratense практически исчезла из травостоя, увеличилось общее число видов (табл. 2), появились всходы березы, осины и S. triandra. В 2005 г. ОПП травостоя составило около 50% за счет E. scheuchzerii. В 2006 г. проведена повторная микробиологическая обработка болота с фрезерованием и гибель растительного покрова.
Местообитание первоначально характеризовалось влажными мезоэутрофными условиями. Затем произошло смещение положения фитоценоза в категорию мезотроф-ных местообитаний (рис. 2), что свидетельствует об успешной очистке почв от солей и нефтепродуктов.
Т а б л и ц а 2
Динамика растительного покрова террасного рекультивированного нефтезагрязненного участка
Южно-Сургутское*
№ пло- щад- ки Год Общее кол-во видов Кол-во видов древесных растений**, (ОПП ,%) Кол-во видов кустарников (ОПП, %) Кол-во видов кустарничков и полукустарничков (ОПП, %) Кол-во видов трав (ОПП, % Кол-во видов одно-двулетников (ОПП, %) Кол-во видов доминирующей экологической группы (ОПП, %)
У БЗ
Т3 2003 21 I ярус: 8К2Б+С Подрост: 5П4Е1К+Б 2 (8) 3 (20-25) 7(10-15) - 15 ЭМ (105) 12 МОТ (60)
2004 22 2 (8) 3 (35-40) 8 (5) 1 (ед) 16 ЭМ (105) 13 МОТ (65)
2005 22 2 (8) 3 (35-40) 8 (5) 1 (ед) 16 ЭМ (105) 13 МОТ (65)
2006 23 2 (4) 3 (40) 10 (15) 1 (<1) 16 ЭМ (105) 14 МОТ (68)
Т2 2003 21 I ярус: 5К2С3Б Подрост: 3К3Е3П1Б 2 (2) 3 (35-40) 5 (5-10) 1 (<1) 14 ЭМ (100) 10 МОТ (55)
2004 18 4 (2) 3 (25-30) 5 (5-10) 1 (<1) 11 ЭМ (125) 8 МОТ (20)
2005 17 3 (1) 3 (25-30) 5(8-10) 1 (2-3) 11 ЭМ (125) 8 МОТ (20)
2006 18 3 (2) 3 (25) 5(8-10) 1 (2) 12 ЭМ (125) 9 МОТ (20)
Т1* 2003 6 - - - 6 (30) 1 (2-3) 2 ЭМ (20) 2 ГдМ (2-3) 3 МТ (3) 2 МЭТ (22)
2004 13 2 (2) 1 (<1) - 10 (25) 1 (1) 5 ЭМ (7) 5 ГдМ (3) 5 МТ (8) 5 МЭТ(2)
2005 10 3 (2) 1 (<1) - 6 (60) - 4 ГдМ (2) 3 ГмГ (55) 4 МОТ (58) 3 МТ (6)
2006 1 - - - 1(2-3) - 1 ЭМ (2-3) 1 МЭТ (2)
Т2* 2003 1 - - - 1 (<1) - 1 ЭМ (<1) 1 МЭТ (<1)
2004 1 - - - 1 (<1) - 1 ЭМ (<1) 1 МЭТ (<1)
2005 - - - - - - -
Т3* 2003 5 2 (20 всходы) - 1 (4-5) 2 (40 всходы) - 2 ЭМ (20) 2 ГмГ (15) 2 МТ (20) 2 ОТ (15)
2004 5 2 (20 всходы) - 1 (4-5) 2 (15 всходы) - 2 ЭМ (15) 2 ГмГ (15) 2 МТ (20) 2 ОТ (15)
2005 - - - - - - -
*ОПП, % - общее проективное покрытие видов растений определенной жизненной формы (деревья, кустарники, кустарнички, травы), биологической группы (одно-, двулетние виды растений), экологической группы видов (ГпГ - гипогидрофиты, ГмГ - гемигидрофиты, ГдМ - гидромезофиты, ЭМ - эумезофиты, ЭТ - эутрофы, МЭТ - мезоэутрофы, МТ - мезотрофы, МОТ - мезоолиготрофы, ОТ - олиготрофы).
** Для лесных фитоценозов указана «Формула леса», в которой соотношение древесных пород (К - кедр, С - сосна, Б - береза, П - пихта, Е -ель) дается в долях от единицы.
Рис. 2. Изменение положения фитоценозов пробных площадей Южно-Сургутского месторождения в системе координат экологических шкал У и БЗ за 2003-2005 гг.
Мониторинговая площадка Т2* расположена ниже по склону, чем Т1*. В течение всего периода наблюдений растительность отсутствовала кроме высеянной P. pratense, отдельные побеги которой отмечались на повышениях (бороздах, буграх). Местообитание характеризовалось мезоэутрофными влажными условиями (рис. 2), изменений экологической структуры фитоценоза не происходило, что, очевидно, было связано с высоким уровнем загрязнения почв (табл. 3).
Мониторинговая площадка Т3*. Плоский участок болота. В 2003 г. растительный покров был представлен всходами осины, P. pratense, отдельными побегами Oxycoccus palustris и сохранившимися дерновинами E. vaginatum. Всходы имели пятнистый характер и были развиты на повышениях. Уже в 2004 г. произошло уменьшение проективного покрытия P. pratense с 30 до 15%, а затем и полное исчезновение. Местообитание характеризовалось мезоэутрофными сырыми условия-
ми и существенно за время наблюдений не изменилось (рис. 2).
Химический анализ почвенных образцов за 20032005 гг. (табл. 3) показал, что на Т1, Т2, Т3 увеличивается содержания солей, а на Т1 - также и нефтепродуктов. В настоящее время наблюдается угнетение растительного покрова на гриве, а на площадке Т1 - его гибель. Эти результаты указывают на распространение загрязнителей вширь и по склону вверх на соседние с нефтезагряз-нением территории, что согласуется с опубликованными данными [4, 10].
На изученных участках болотного массива формирования растительного покрова не произошло. На Т1* наблюдалось снижение содержания солей, благодаря их миграции ниже по склону с поверхностными и почвенными водами. Загрязнение почв Т2*и Т3* солями и нефтепродуктами осталось высоким, по-видимому, за счет поступления из нижележащих горизонтов.
Т а б л и ц а 3
Содержание хлоридов и нефтепродуктов в слое почв 0-10 см мониторинговых участков за 2003-2005 гг.
№ точки Место расположения Год pH водное Хлориды, мг/кг Нефтепродукты, г/кг
Южно-Сургутское месторождение
Т1 Вблизи болота 2003 7,52 296,7 606,0
2004 4,75 417,5 990,0
2005 6,58 Не опр. 592,7
Т2 склон к болоту 2003 5,78 189,3 21,95
2004 5,44 487,1 0,58
2005 4,73 Не опр. 0,88
Т3 Лес на гриве 2003 6,26 93,3 11,48
2004 4,95 361,8 0,21
2005 5,36 Не опр. 1,94
Т1* Болото 2003 5,44 14248 2,11
2004 4,2 10993 3,56
Т2* Болото 2003 5,58 2367,2 14,96
2004 3,90 1739,5 930,53
* 3 Т Болото 2003 5,77 4872,4 29,97
2004 4,32 4453,1 471,97
Усть-Балыкское месторождение
Т1 Ложбина 2003 6,46 32,1 114,45
2004 5,75 556,6 182,42
2005 6,18 Не опр. 95,26
Т2 Ложбина 2003 7,01 100,15 246,0
2004 6,24 695,8 237,48
2005 5,92 Не опр. 49,80
Т3 Песчаная отсыпка 2003 7,23 77,35 16,58
2004 5,90 69,6 0,89
2005 6,60 Не опр. 3,06
Лесные и болотные фитоценозы террас характеризуются бедными мезоолиготрофными и мезотрофными местообитаниями, тогда как естественные пойменные сообщества развиваются в более богатых - мезоэут-рофных условиях. Подвергнутые рекультивации участки при экологической оценке попадают в категорию мезоэутрофных земель. Анализ изменения положения фитоценозов в поле координат У и БЗ показывает, что происходящие после рекультивации загрязненных земель сукцессии идут в сторону восстановления естественных местообитаний, однако эти процессы очень замедлены. Формированию растительного покрова препятствует недостаток кислорода, а также высокое содержание нефтепродуктов и хлоридов в почве.
Микробиологическая рекультивация приводит к снижению содержания нефтепродуктов в верхних слоях почв, однако в последующем загрязняющие вещества поднимаются на поверхность из нижних горизонтов. Эти явления сильнее выражены на террасах. Затапливаемые пойменные земли промываются и восстанавливаются значительно быстрее террасных участков. Аварии трубо-
проводов, проходящих через территории террас, приводят к образованию обширных геохимически аномальных пространств. В качестве аналога данных аномалий следует, возможно, рассматривать переобводненные, засоленные и заболоченные «займища» лесостепи.
Формирование растительного покрова на нефтезаг-рязненных землях может происходить лишь за счет адаптированных к солевому загрязнению эутрофных пойменных видов, таких как гипогалофиты (P. australis, T. latifolia). Подобные растения отсутствуют в фитоценозах террас с преобладающими подзолистыми почвами легкого механического состава. Это, несомненно, одна из причин медленного восстановления растительности верховых болот. Пойменные растения приспособлены к недостатку кислорода в почвах и быстро формируют растительный покров. Низкая эффективность фиторекультивации тоже связана с недоучетом экологических режимов нефтезагрязненных земель. Рациональнее оставлять участки для естественного зарастания, проводя контроль содержания солей и нефтепродуктов в верхних слоях почв.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вавер В.И. Методическое руководство по рекультивации нефтезагрязненных земель в условиях месторождений нефти Западной Сибири.
Нижневартовск: Нефтехим, 1996. 108 с.
2. Чижов Б.Е. Рекультивация нефтезагрязненных земель Ханты-Мансийского автономного округа (практические рекомендации). Тюмень:
Изд-во ТГУ, 2000. 52 с.
3. Зубайдуллин А.А. К вопросу рекультивации нефтезагрязненных земель на верховых болотах // Биологические ресурсы и природопользова-
ние. 1998. Вып. 2. С. 106-116.
4. Шепелев А.И., Мазитов Р.Г. Изменение свойств почв поймы Средней Оби под влиянием нефтезагрязнителей // Сборник научных трудов
биологического факультета. Сургут: Изд-во СурГУ, 2005. Вып. 2. С. 119-125.
5. Шепелев А.И., Шепелева Л.Ф., Фролов В.Н. К методологии создания единой схемы экологического мониторинга на нефтезагрязненных зем-
лях таежной зоны Западной Сибири // Материалы Международной научно-практической конференции «Лесопользование, экология и охрана лесов: фундаментальные и прикладные аспекты». Томск, 2005. С. 284-285.
6. Раменский Л.Г., Цаценкин И.А., Чижиков О.Н., Антипин Н.А. Экологическая оценка кормовых угодий по растительному покрову. М., 1956.
472 с.
7. Львов Ю.А. Типы болотных земель по их мелиоративной ценности // Пути рационального использования почвенных, растительных и живот-
ных ресурсов Сибири. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1986. С. 80-85.
8. Шепелева Л.Ф. Структурно-функциональная организация луговых фитоценозов поймы // Биологические ресурсы поймы Средней Оби: ди-
намика и прогноз. Томск, 1986. С. 92-96.
9. Прокопьев Е.П. Введение в геоботанику: Учеб. пособие. Томск: Изд-во ТГУ, 1997. 284 с.
10. СолнцеваН.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1998. 376 с.
Статья поступила в редакцию журнала 4 декабря 2006 г., принята к печати 11 декабря 2006 г.
