Основные задачи исследования биоразнообразия в районах нефтедобычи Пермского края Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 502.7:574

Основные задачи исследования биоразнообразия в районах нефтедобычи Пермского края

С.А. Бузмаков, С.А. Овеснов, Е.Л. Суслова Пермский государственный университет

Введение. Биоразнообразие (biodiversity) в последнее десятилетие становится одним из самых распространенных понятий в научной литературе, природоохранном движении и международных связях. Результаты научных исследований доказали, что необходимым условием нормального функционирования экосистем и биосферы в целом является достаточный уровень природного разнообразия на нашей планете. В настоящее время биоразнообразие рассматривается как основной параметр, характеризующий состояние надорганизменных систем.

«Биологическое разнообразие - вариабельность живых организмов; это понятие включает в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем» [3]. Исходя из данного определения биоразнообразие может рассматриваться на трех уровнях:

• генетическом, изучающем информацию, содержащуюся в генетическом аппарате организмов, живущих на Земле, и процессы, происходящие в генофонде;

• видовом, изучающем разнообразие видов всех живых организмов;

• экосистемном, изучающим различные среды обитания видов и сообществ, а также процессы, происходящие в пределах экосистем различных иерархических ступеней.

Материал и методика. В 1960 г. Р.Уиттекер предложил понятия а-, Р-, у-разнообразия

[9]:

а-разнообразие - разнообразие внутри местообитания или одного сообщества,

Р-разнообразие - разнообразие между местообитаниями,

у-разнообразие - разнообразие в обширных регионах биома, континента, острова и т.д.

В зависимости от уровня рассмотрения может существенно меняться таксономический уровень единиц, по которым оценивается биоразнообразие. Но в качестве наиболее универсальной и обязательной единицы для всех уровней организации выступает вид. При оценке а-разнообразия принимаются во внимание два фактора: видовое богатство и выровненность обилия видов.

Видовое богатство - число видов, для сравнения отнесенное к определенной площади.

Выровненность - равномерность распределения видов по их обилию в сообществе.

Видовое богатство фитоценоза (число видов на единицу площади) - его важнейшая интегральная характеристика и одна из форм общего биологического разнообразия, т.е. богатства экосистем видами.

Видовое богатство зависит от многих факторов, первым из которых является размер учетной единицы, т.е. масштаб измерения видового разнообразия. В мелком масштабе (1дм2) наибольшим видовым разнообразием характеризуются альварные луга в Эстонии и Швеции [7, 8, 10, 11]. Эти луга образованы маленькими по размеру растениями, и на такой учетной площадке умещается до 40 видов. В курских степях В.В. Алехин [1931, цит. по 1] на 1м насчитывал до 100 видов. В крупном масштабе (сотни квадратных метров) наиболее богаты видами тропические леса, где на 400м может произрастать до двух тысяч видов деревьев, лиан и эпифитов.

Зависимость видового богатства от площади выявляют с помощью вписанных друг в друга квадратных или круглых площадок увеличивающегося размера. Таким образом, строится кривая "число видов/площадь". В большинстве случаев при заложении в фитоценозах "матрешек" - площадок размером 0,1, 0,25, 1, 4, 9, 16, 25, 100 м2 и т.д. -полученные кривые вначале резко поднимаются вверх, а потом постепенно переходят на

© С.А. Бузмаков, С.А. Овеснов, Е.Л. Суслова, 2007

плато. Начало перехода на плато показывает, что на площадке этого размера в основном выявлены все виды фитоценоза. При однородном сложении растительности чем фитоценоз богаче видами, тем меньше размер площадки, при котором кривая выходит на плато [6].

Видовое богатство разных растительных сообществ изменяется в очень широких пределах - от 1-2 видов в прибрежно-водной или водной растительности, в пустынях или на злостном содовом солончаке до 1000 видов в тропическом лесу. В средней полосе России видовое богатство фитоценозов сосудистых растений следующее: сенокосные луга - 40-60 видов, пастбищные луга - 20-30, сенокосные степи 70-90, пастбищные степи - 20-40, сегетальные пашенные сообщества - 10-20, рудеральные сообщества - 5-15,

широколиственный лес - 25-40, хвойный лес - 5-25, низинные травяные болота и сфагновые болота - 10-20 видов (с учетом видов мхов богатство сфагновых болот примерно в два раза выше).

Для оценки биоразнообразия в настоящее время предложено более 40 индексов. Большинство различий между индексами заключается в том, какое значение они придают показателям выровненности и видовому богатству.

Наиболее используем на практике индекс Шеннона, который позволяет применить к исследованию видовой устойчивости и разнообразия сообщества теорию информации. Индекс Шеннона рассчитывается по формуле

Н’= -X р;1пр;,

где величина р; - доля особей 1-го вида.

В выборке истинное значение р; неизвестно, но оценивается как п/№, где п; - обилие особей 1-го вида, N - общее количество выявленных в сообществе видов.

Полученные значения индекса Шеннона обычно варьируют в пределах от 1,5 до 3,5, очень редко превышая 4,5.

На основе индекса Шеннона можно вычислить показатель выровненности Е (отношение наблюдаемого разнообразия к максимальному):

н:

Е = ,

Е 1пБ

где Б - число выявленных видов фитоценоза. Е [0,1], причем Е = 1 при равном обилии всех видов.

При оценке видового разнообразия на определенной территории необходимо также учитывать такие качественные характеристики обилия и видового состава, как

1) видовое соотношение - соотношение экологически синантропных видов и видов, характерных для конкретного биотопа;

2) количественное соотношение экологически синантропных видов и видов, характерных для конкретного биотопа;

3) наличие видов, занесенных в красные книги, соотношение видов разных категорий редкости;

4) количественный показатель видов, занесенных в красные книги;

В целом в современной растительности наблюдается тенденция снижения видового богатства фитоценозов из-за усиливающегося влияния на них человека (т.е. антропогенного пресса).

Деятельность нефтедобывающих компаний на территории Пермского края ведется неравномерно. Основные балансовые запасы нефти сосредоточены на юге региона, соответственно на эту территорию приходится наибольшая техногенная нагрузка. Перспективные районы развития нефтедобычи расположены в средней тайге по обоим берегам р.Камы. В южной тайге значительные площади находятся под нефтепромысловой инфраструктурой.

Уровень техногенного воздействия при эксплуатации нефтяных месторождений является региональным фактором, определяющим на территории Пермской области современную трансформацию экосистем [2].

При обустройстве и эксплуатации нефтяного месторождения естественные экосистемы трансформируются в природно-техногенные. На территории месторождения можно выделить участки, объединенные по степени изменения растительного покрова.

1. Техногенные субстраты. В процессе обустройства нефтяного месторождения для нормального функционирования нефтепромысловых объектов требуется постоянное уничтожение любой растительности на технологических площадках как скважин, так и более крупных площадных объектов нефтепромысла: дожимных насосных станций (ДНС), установок первичной переработки нефти (УППН). На технологической площадке нарушена почва, развиваются эрозионные процессы, уровень загрязнения атмосферы и субстрата углеводородами достаточно высокий. Общее проективное покрытие растительности достигает 40-50%, синантропных видов более 50% при их высоком обилии. Техногенная нагрузка носит постоянный характер, т. к. площадки скважин регулярно зачищаются, растительность и плодородный слой почвы снимаются.

Рядом с площадкой скважин обычно формируются травянистые фитоценозы с преобладанием вейника наземного (Calamagrostis epigeios).

2. Линейный объекты при их строительстве линейных объектов (линий электропередач, дорог, трубопроводов) происходит инсуляризация территории месторождений. Этот процесс также сопровождается полным уничтожением фитоценозов. Однако после строительства техногенная нагрузка носит случайный катастрофический характер (при авариях), поэтому на большей части данной территории начинаются постдизруптивные сукцессии, которые в конечной стадии при отсутствии воздействий должны привести к восстановлению коренных группировок. На начальных стадиях зарастания участков с разрушенной растительностью существенную роль играют синантропные виды, вследствие чего линейные объекты становятся источниками поступления синантропных видов в близлежащие естественные растительные группировки.

3. Фитоценозы в пределах санитарно-защитной зоны.

Как правило, рядом с нефтепромысловой площадкой в пределах санитарно-защитной зоны присутствует гигрофильное растительное сообщество, образовавшееся в результате механического формирования пониженных форм рельефа и поступления поверхностного (куст скважин) или поверхностного и грунтового (ДНС, УППН) стока вод. Образовавшееся растительное сообщество состоит, как правило, из рогоза широколистого, камыша лесного, вейника сплюснутого, видов осок. Данные группировки формируются около площадок скважин, ДНС, УППН, а также вдоль дорог.

Аварии водоводов довольно часто случаются на нефтепромыслах из-за повышенной коррозионной активности соленых промысловых вод. Засоление субстрата обуславливает специфические начальные этапы восстановления растительности. Попадание соленых вод в корнеобитаемый горизонт почв в большинстве случаев приводит к полной гибели растительности. Эпизодически встречаются участки деградации растительного покрова, возникающие в результате загрязнений солеными водами. Площадь зоны воздействия определяется рельефом. Благодаря промывному водному режиму почв становление (через пионерные группировки) травяной растительности происходит через 1-2 года.

На первых этапах зарастания засоленных участков доминируют представители семейства маревых: марь белая, марь красная, лебеда лоснящаяся, лебеда раскидистая, лебеда татарская. Их замещение происходит на 2-3-й год группировками с преобладанием пырея ползучего.

Нефтяное загрязнение в зависимости от количества поступивших веществ и рельефа местности может приводить к нарушению участков фитоценоза. Но в настоящее время аварии нефтепроводов достаточно быстро ликвидируются. На открытых пространствах в послеаварийный период проводят рекультивационные работы, которые заключаются в полном снятии загрязненных почвогрунтов и нанесении нового плодородного слоя. В случае отсутствия биологического этапа восстановления земель такие участки заселяют вначале сорно-рудеральные виды.

Уровень трансформации растительности на территории месторождения зависит от ее исходного состояния. В наиболее полной форме деградационно-восстановительные процессы выражены на лесных территориях месторождения. Площадь коренных сообществ с участием в древостое хвойных растений сокращается из-за увеличения территории с мелколиственными лесами, лугами и пионерными группировками.

Эксплуатация месторождений нефти способствует синантропизации растительного покрова. Восстановление происходит как по зональному ряду трансформации, так и по азональному (при существенном переувлажнении с формированием болотоподобных сообществ).

Результаты и их обсуждение. Для выяснения изменений биоразнообразия растительных сообществ, а в частности изменений видового богатства фитоценозов в результате эксплуатации нефтяных месторождений на территории Пермского края, предлагается следующий проект методики оценки биологического разнообразия фитоценозов в районах нефтедобычи Пермского края, разработанный в соответствии с требованиями, изложенными в федеральных законах от 10.01.2002 №7-ФЗ «Об охране окружающей среды», законов Пермской области от 20.02.1997 «Об историко-культурноприродном наследии населения Пермской области» и от 21.11.2002г «Об охране окружающей среды Пермской области».

Изменение биологического разнообразия фитоценозов определяется по антропогенной нагрузке на территории месторождений и региональным особенностям природных условий. Основные объекты обследования - сосудистые растения, фитоценозы, типологические комплексы.

К основным типам нагрузки от нефтедобычи регионального значения на объекты исследования относятся:

1) изъятие территории под объекты нефтепромыслов (скважины, ДНС, УППН);

2) инсуляризация территории при развитии нефтяной инфраструктуры из-за прокладки линейных объектов нефтепромыслов;

3) локальное воздействие нефтепромысловых объектов в пределах санитарно-защитных

зон;

4) фоновое состояние естественной природной среды.

Основные природные особенности регионального значения обусловлены делением Пермского края на следующие ботанико-географические районы [4]:

1) среднетаежных пихтово-еловых лесов (средняя тайга);

2) южнотаежных пихтово-еловых лесов (южная тайга);

3) широколиственно-елово-пихтовых лесов (хвойно-широколиственные леса);

4) островной Кунгурской лесостепи (Кунгурская лесостепь).

Фоновые территории определяются как местообитания, на которые не должны воздействовать антропогенные факторы локального характера, т. е. должны отсутствовать выбросы в атмосферу вредных веществ местных источников, сбросы вредных веществ в водоемы местных источников, выраженная рекреационная нагрузка, инсуляризация местообитаний. Фоновая территория, как и обследуемое месторождение, должна быть расположена в соответствующем ботанико-географическом районе края.

При обследовании фоновой территории определяются видовой состав и обилие видов в основных типах лесных фитоценозов, естественных лугов, болотных местообитаний, пойменных растительных сообществ. Выделение и обследование основных типов биотопов проводят в соответствии с ранее принятой классификацией местообитаний [5].

Учет биоразнообразия растительных сообществ на территории месторождений предлагается проводить по следующей схеме.

В качестве элементарной, далее неделимой, экосистемы берется земельный, лесной контур (выдел), в пространстве которого существует однотипный почвенно-растительный покров.

Порядок выполнения работ по изучению изменения разнообразия под влиянием хозяйственной деятельности:

1. Описание технологии хозяйственной деятельности. Цель, задачи, хозяйственные объекты и основные этапы ее осуществления. Количественные характеристики выбросов вредных веществ в атмосферу, сбросов вредных веществ в гидросферу, образования и размещения отходов, изъятия земель.

2. Сбор земельных, лесных, топографических материалов. Составление схемы «Пространственно-временная характеристика влияния хозяйственной деятельности на природную среду».

3. Выполнение исследований по иерархически организованной картографической схеме «Пространственно-временная характеристика влияния хозяйственной деятельности на природную среду».

4. Проведение полевых обследований, связанных с определением

- состава и обилия видов в основных типах биотопов фоновой территории;

- показателей разнообразия под влиянием хозяйственной деятельности;

- состава и обилия видов на техногенных субстратах (землях изъятых под нефтепромысловый объект (скважина, ДНС, УППН) или подверженных прямому механическому воздействию);

- состава и обилия видов района существенного воздействия нефтепромысловых объектов (санитарно-защитная зона), включая определение состава и обилия видов гигрофильных сообществ вблизи нефтепромысловых объектов, определение состава и обилия видов на месте аварий трубопроводов и разливов нефти;

- состава и обилия видов района инсуляризации территории (линейные объекты) и совокупного антропогенного воздействия на открытых пространствах (луга), на землях лесного фонда.

5. Корректировка схемы «Пространственно-временная характеристика влияния хозяйственной деятельности на природную среду» по результатам обследования.

6. Расчет показателей биологического разнообразия обследованных территорий.

7. Сравнительная характеристика биоразнообразия фоновой территории и территории хозяйственной деятельности.

Таким образом, план проведения работ по оценке влияния нефтедобычи на биологическое разнообразие растительных сообществ отражен в табл.2.

Заключение. Для оценки влияния нефтедобычи на биологическое разнообразие фитоценозов необходимо проведение исследований во всех ботанико-географических районах края, за исключением района предгорных и горных лесов, где нефтедобыча развита слабо. Для оценки изменений биоразнообразия растительных сообществ необходимо обследовать длительно эксплуатируемые нефтяные месторождения. В качестве фоновых территорий возможно использование особо охраняемых природных территории (ООПТ), расположенных в том же ботанико-географическом районе, что и нефтяное месторождение.

В пределах ботанико-географического района средней тайги целесообразно проведение обследования на Озерном и Гагаринском месторождениях нефти с фоновой территорией в пределах ландшафтного заказника регионального значения «Нижневишерский». В фоновой территории необходимо определение состава и обилия видов в коренных фитоценозах зонального типа: темнохвойном лесу, светлохвойном лесу, темнохвойно-светлохвойном лесном фитоценозе, смешанном (хвойно-мелколиственном) лесу, а также в фитоценозах азонального типа - на болотах и лугах.

Шершневское месторождение нефти расположено на территории ботаникогеографического района южной тайги. Биологический охотничий заказник регионального значения «Березниковский» может быть использован в данном случае в качестве фона. На фоновой территории также проводится определение состава и обилия видов в коренных фитоценозах зонального и азонального типа, причем преобладающим фитоценозом является

смешанный лес с участием липы сердцелистной (Tilia cordata), как вторичные появляются мелколиственные леса.

В пределах района хвойно-широколиственных лесов в качестве территорий с повышенной антропогенной нагрузкой целесообразно обследовать Шагирто-Гожанское и Аптугайское месторождения нефти, в качестве фоновой - ландшафтный заказник регионального значения «Куединский». В дополнение к уже имеющимся лесным фитоценозам необходимо проведение обследования в широколиственном лесу.

На территории Кунгурской лесостепи необходимо определение состава и обилия видов фитоценозов Кокуйского месторождения нефти. В качестве фоновой территории предполагается обследовать историко-природный комплекс регионального значения «Ледяная гора и Кунгурская ледяная пещера», где планируется обследование мелколиственного леса, светлохвойного лесного фитоценоза, смешанного леса и остепненного луга.

Методика оценки биологического разнообразия фитоценозов в районах нефтедобычи Пермского края позволит использовать выявленные закономерности изменения биологического разнообразия растительных сообществ в целях формирования управляемых природно-техногенных экосистем с более высокой устойчивостью к антропогенному воздействию.

Библиографический список

1. Алехин В.В. Теоретические проблемы фитоценологии и степеведения / В.В. Алехин. М.: Изд-во МГУ, 1986. 213 с.

2. Бузмаков С. А. Техногенные изменения компонентов природной среды в нефтедобывающих районах Пермской области / С.А. Бузмаков, С.М. Костарев. Пермь: Изд-во Перм.ун-та, 2003. 171с.

3. Закон Российской Федерации №2254 «Конвенция о биологическом разнообразии» // Собр. законов РФ. 1996. №19. С. 4742-4764.

4. Овеснов С.А. Конспект флоры Пермской области / С.А. Овеснов. Пермь. Изд-во Перм.ун-та, 1997. С.252.

5. Разработка типологии биотопов Пермской области для использования их в

кадастровых работах по животному и растительному миру: отчет о НИР / Рук. С.А.

Бузмаков; Перм. ун-т. Пермь, 2002.

6. Dierschke H. Pflanzensociologie. Stuttfart: Ulmer, 1994. 683 s.

7. Kull K. Vegetation structure and species coexistence / K. Kull, M. Zobel // Folia

Geobot. Phytotax. Praha, 1994. Vol. 29, № 4. P. 433 - 437.

8. Maarel van der E. Small-scale plant species turnover in a limestone grassland: the carousel model and some comments on the niche concept / E. van der Maarel, M.T. Sykes // J. Veget. Sci. 1993. Vol. 4, № 2. P. 179 - 188.

9. Whittaker R.H. Evolution and measurement of species diversity / R.H. Whittaker // Taxon. 1972. Vol. 2/3. P. 213 - 251.

10. Zobel K. et al. An experimental test of diversity maintenance mechanisms by a species removal experiment in a species-rich wooded meadow / K. Zobel et al // Folia Geobot. Phytotax. Praha. 1994. Vol. 29, № 4. P. 449 - 457.

11. Zobel K. et al. The dynamics of species richness in an experimentally restored calcareous grassland / K. Zobel et al // J. Veget. Sci. 1996. Vol. 7, № 2. P. 203 - 205.