Фитоиндикация влажности и обеспеченности элементами питания (трофности) нефтезагрязненных почв Среднего Приобья

УДК 631.427.1

ФИТОИНДИКАЦИЯ ВЛАЖНОСТИ И ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПИТАНИЯ (ТРОФНОСТИ) НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ

Н.А. Аветов, Е.А. Шишконакова

При загрязнении почв нефтью и сопутствующими поллютантами происходят выраженные изменения их физических и химических свойств, среди которых большое значение для сохранения почвой функции плодородия имеют влажность и обеспеченность почв элементами питания растений (так называемая трофность почв). Одним из способов экспресс-оценки степени техногенной трансформации почв является фитоинди-кация, позволяющая, в частности, быстро и с минимальными затратами получить данные по названным параметрам. Предварительная экологическая оценка, учитывающая в первую очередь увлажненность и троф-ность почв на нефтезагрязненных территориях, по нашему мнению, служит необходимой предпосылкой для успешного проведения рекультивационных работ, в то время как ее игнорирование во многих случаях обусловливает неудачный ход рекультивации.

Цель настоящей работы, таким образом, заключается в выявлении количественных закономерностей трансформации нефтезагрязненных почв Среднего Приобья по трендам влажности и трофности.

В последнее время для количественной оценки влажности и питательного режима (трофности) почв бореальных ландшафтов весьма широко стали использоваться экологические шкалы Л.Г. Раменского [1-5, 7, 8]. Актуальность применения шкал Раменского для оценки естественных и загрязненных почв Среднего Приобья определяется достаточно высокой контрастностью и значительной изменчивостью экосистем в процессе техногенных воздействий как раз по этим градиентам среды. Индикация проводилась на участках с общим проективным покрытием, достигающим по крайней мере 4-5%, причем, согласно рекомендациям В.М. Телесниной [7], учитывались только растения травя-но-кустарничкового и мохового ярусов.

Сбор материала осуществлялся вдоль транспортного коридора Нефтеюганск-Пыть-Ях-Сентябрьский и на прилегающих к нему территориях, отличающихся особенно большими площадями нефтезагрязненных почв и в то же время весьма высоким исходным ландшафтным разнообразием. Кроме того, данные по подзолам и почвам грядо-во-мочажинных болот получены в процессе обследования ряда участков Сургутского Полесья. Индикация трофно-сти и увлажненности, таким образом, выполнялась на естественных (контрольных) и нефтезагрязненных участках таежных светлоземов, слабодифференцированных (в том

Оценка влажности и трофности естественных и нефтезагрязненных почв Среднего Приобья по шкалам Л.Г. Раменского

Почвы / ландшафты Почвы

ненарушенные нефтезагрязненные рекультивированные

1 2 1 2 1 2

Таежные слабодифференцированные почвы и светлоземы под смешанными хвойно-мелколиственными кустарнич-ково-зеленомошными лесами 71,1-78,0

Подзолы иллювиально-железистые под сосняками кус-тарничково-зеленомошными и лишайниковыми 69,5-73,6 (72,2) 3,0-3,9 (3,6) 75,0-82,8 (79,9) 3,8-7,8 (5,3) - -

Торфяные олиготрофные почвы под сосново-кустарничково-сфагновыми болотами

Торфяные олиготрофные почвы под грядово-мочажинными болотами: гряды мочажины 83,8-86,6 (84,8) 91,8-93,7 (92,8) 2,6-3,4 (3,0) 3,6-3,8 (3,7) 85,0-87,0 (86,0) 90,2-94,3 (92,3) 2,5-4,1 (3,3) 3,8-4,4 (4,1) 93,2 10,9

Торфяные и торфяно-глеевые эвтрофные почвы под древес-но-кустарничково-травяно-моховыми болотами (сограми) 86,8-87,5 (87,2) 5,5-10,1 (7,8) 89,4-100,0 (95,3) 9,1-11,6 (9,5) - -

Аллювиальные дерново-глеевые почвы под лугами поймы Оби 72,8-87,3 (81,0) 10,0-11,9 (11,2) - - - -

Аллювиальные иловато-торфяно-глеевые и перегнойно-глеевые почвы под травяными

Обозначения: 1 — баллы влажности; 2 — баллы трофности.

числе глееватых) почв, подзолов, торфяных олиготрофных, торфяных эвтрофных, аллювиальных торфяно-глеевых и перегнойно-глеевых почв. Всего было составлено около 200 описаний растительности. Ввиду ограниченности задач и объемов настоящей статьи геоботанические, и в том числе флористические, особенности трансформации соответствующих экосистем в ней не обсуждаются, а анализируются только количественные значения изучаемых характеристик (увлажнения и трофности), рассчитанные по методу Л.Г. Раменского [5] на основе геоботанических описаний.

Анализ естественных значений влажности и трофности по шкалам Раменского показывает, что для каждого типа почв и соответствующего ему ландшафта существуют определенные балльные интервалы (таблица). По градиенту влажности почвы Среднего При-обья в ненарушенном состоянии образуют следующий ряд в порядке ее возрастания: подзолы иллювиально-железистые ^ таежные слабодифференцированные и светлоземы ^ аллювиальные дерново-глеевые ^ торфяные олиготрофные (на грядах и на рямовых болотах) ^ торфяные эвтрофные (в сограх) ^ аллювиальные иловато-торфяно-глеевые и перегнойно-глеевые ^ торфяные олиготрофные (в мочажинах). По степени трофности отчетливо обособляются три группы почв: 1) группа малой трофности (менее 4 баллов) включает торфяные олиготрофные почвы и подзолы; 2) в группу средней трофности (4-6 баллов) входят таежные слабодифференцированные почвы и светло-земы; 3) группа высокой трофности (более 6 баллов, в основном 10-12) охватывает торфяные эвтрофные и все аллювиальные почвы обской поймы.

При поверхностном загрязнении основная масса нефтяных поллютантов оседает в верхних органогенных почвенных горизонтах (на органосорбционных барьерах), выступающих в роли барьеров-аккумуляторов [6]. По этой причине наиболее высокие концентрации нефти создаются в подстилках таежных почв, а также в деятельном горизонте торфяных и торфяно-глеевых почв (аллювиальных, олиготрофных и эвтрофных), одновременно являющихся корне-обитаемым слоем для растений-индикаторов мохового и травяно-кустарничкового ярусов. Образующиеся на месте аварийных разливов нефти вторичные сообщества свидетельствуют в целом о глубоких преобразованиях нефтезагрязненных почв по градиентам увлажненности и трофности в большинстве изученных ландшафтов.

Изменение водного режима загрязненных почв непосредственно связано с гидрофобным характером углеводородов. Насыщая поровое пространство почвы, нефть препятствует инфильтрации атмосферных и паводковых вод в глубь почвенного профиля и обеспечивает тем самым устойчивое поверхностное переувлажнение органогенных горизонтов. Дополнительной гидроморфизации почв, кроме того, часто способствует нарушение поверхностного стока разного рода инженерно-линейными сооружениями, находящимися в общем с нефтепроводами коридоре коммуникаций (дороги, насыпи и т.д.).

Наибольшая вариабельность значений общей увлажненности присуща нефтезагрязненным таежным почвам плакорных ландшафтов (таблица). С одной стороны, на выровненных участках создается поверхностное переувлажнение и соответственно показатель увлажненности возрастает до 82,8, причем эта тенденция характерна как для суглинистых, так и для песчаных почв (подзолов). С другой стороны, на суглинистых почвах, залегающих на наклонных поверхностях увалов (представляющих собой, в частности, одну из характерных форм рельефа бассейнов рек Большой Салым и Большой Балык), латеральный сброс избытка влаги препятствует повышению увлажненности, из-за чего значения сохраняются на исходном уровне (71-78).

Проводимые в нефтезагрязненных таежных ландшафтах рекультивационные работы обычно не сопровождаются водно-мелиоративными мероприятиями, а уплотняющее воздействие тяжелой болото-ходной техники, более того, приводит к дальнейшему возрастанию увлажненности. В результате на участках с сохранившейся растительностью показатель увлажненности увеличивается до 78,8-97,7. На еще более обводненных нефтезагрязненных территориях растительность практически полностью выпадает, а нарушенные поверхности покрываются водно-нефтяной эмульсией, трансформируясь (при наличии об-валовки по периметру участка) в водоемы. В связи с этим следует подчеркнуть, что 94-я ступень представляет собой важный качественный рубеж, разграничивающий местообитания болотных гигрофитов и гидрофитов, выше которого рост увлажнения приводит к поднятию уровня почвенно-грунтовых вод до почвенной поверхности [3].

Занимающие значительные площади Среднего Приобья олиготрофные торфяные почвы сосново-ку-старничково-сфагновых болот (рямов) обнаруживают при загрязнении нефтью менее масштабные изменения по градиенту увлажненности. Их гидроморфность при этом либо не изменяется вообще, либо в условиях сильной замазученности возрастает в пределах 5-10% от средних значений, присущих естественным почвам (таблица). Большая нефтеемкость и влагоем-кость сфагнового торфа верхнего (деятельного) горизонта, в естественном состоянии свободного от гравитационной влаги, очевидно, в условиях умеренного загрязнения препятствует поднятию уровня поч-венно-грунтовых вод и таким образом повышению общей увлажненности торфяных почв. Значительная гидроморфизация рямовых ландшафтов достигается лишь при предельных уровнях насыщения торфа нефтью (45-60% от сухой массы), при которых растительность полностью погибает. На рекультивированных сосново-кустарничково-сфагновых болотах в свою очередь увлажненность либо не повышается, либо даже понижается под воздействием рыхления и фрезерования (таблица), однако на отрицательных элементах микрорельефа часто сохраняются переувлажненные пятна с полным отсутствием возоб-

новления растительности, а иногда также и с признаками остаточного загрязнения (замазучивания).

Тенденции, выявленные для олиготрофных торфяных почв рямов, в общем сохраняются и для почв гря-дово-мочажинных болотных комплексов, наиболее широкое распространение получивших на севере Среднего Приобья в Сургутском Полесье. При загрязнении гряд и мочажин изменение увлажненности относительно исходной практически не наблюдается (различия в 0,5-1,2 балла находятся в пределах погрешности метода), в то время как при рекультивации, сопровождающейся, как правило, уничтожением болотного микрорельефа, увлажненность в целом по болотному массиву достигает значений, характерных для мочажин в естественном состоянии, — около 93 баллов.

Эвтрофные торфяные почвы распространены в пределах рассматриваемого региона преимущественно по поймам малых рек (сограм). Такая приуроченность в силу комплекса природных и технических причин определяет крайне высокую подверженность этих почв загрязнениям нефтью. В условиях выраженного флювиального (гривы и межгривные понижения, ста-ричные русла) и вместе с тем болотного (кочки) микрорельефа нефть скапливается в замкнутых понижениях, в которых в основном и проявляется эффект переувлажнения, обусловленный ее воздействием на торфяные горизонты. Образующиеся в процессе зарастания подобных местообитаний гидрофильные сообщества выявляют значительно возросшую гидро-морфность почв — в среднем до 95, а в отдельных случаях и до 100 баллов при естественных значениях 86-87 (таблица).

В пойме Оби основная масса нефтяных загрязнителей, как и в сограх, концентрируется в отрицательных элементах рельефа — старицах и межгривных понижениях, занимаемых в данном случае аллювиальными иловато-торфяно-глеевыми и перегнойно-глеевыми почвами. Тем не менее отмеченная выше для согр тенденция к росту увлажненности в пойме Оби в условиях долгопоемного режима не проявляется: степень увлажненности практически сохраняется на первоначальном уровне, свойственном ненарушенным почвам. Рекультивированные аллювиальные почвы, напротив, в некоторой мере обнаруживают даже снижение гидроморф-ности в среднем с 91,5 до 88,5 (таблица).

Трансформация питательных режимов почв в ходе нефтезагрязнения носит весьма сложный характер. Во-первых, в почву вместе с нефтью и сопутствующими минеральными растворами поступает определенное количество питательных макро- и микроэлементов, во-вторых, происходит масштабная перестройка почвенного поглощающего комплекса, влияющая на характер обменных процессов и корневое питание. Кроме того, коренным образом преобразуются биотические связи внутри растительных сообществ и микробного населения почв. В частности, из растительного покрова выпадают элементы таежной и болотной флоры, имеющие микоризное питание. Наконец, нарушается естественный ход процессов деструкции органического вещества почвы.

Все эти явления в совокупности приводят в большинстве случаев к выраженной эвтрофизации исходно олиготрофных экосистем Среднего Приобья. Однако степень ее проявления неодинакова в разных почвах (таблица).

В таежных ландшафтах общая тенденция проявляется в сближении значений трофности для всех почв за счет относительно меньшего прироста соответствующих значений у более трофных в естественном состоянии по сравнению с песчаными подзолами суглинистых почв.

У олиготрофных торфяных почв также наблюдается разномасштабное увеличение трофности, но на этот раз уже в пределах одного типа почв — в зависимости от характера биогеоценозов. Значительное в ряде случаев повышение трофности у почв рямов (до 11,8 балла) не наблюдается в условиях грядово-мо-чажинных болот. Также для загрязненных почв ря-мов характерна высокая вариабельность значений, очевидно сопряженная со степенью загрязнения, кратностью и возрастом разливов нефти.

Повышение трофности при загрязнении нефтью эвтрофных торфяных почв в сограх проявляется в первую очередь в виде выпадения элементов бо-реальной флоры, обитающих на положительных элементах микрорельефа. Умеренный прирост трофно-сти при этом сопровождается существенным сужением диапазона колебания ее значений. Так, если в естественных условиях амплитуда колебания троф-ности составляет около 4,5 балла, то при загрязнении она уменьшается до 2,5.

Аллювиальные почвы, характеризующиеся уже в естественном состоянии высокой трофностью, в противоположность вышерассмотренным не обнаруживают выраженной тенденции к ее росту при загрязнении (таблица).

Необходимо отметить, что процессы рекультивации нефтезагрязненных почв всегда в той или иной степени приводят к возрастанию трофности по сравнению как с естественными значениями, так и со значениями, выявленными для загрязненных почв, что отчасти можно объяснить внесением минеральных удобрений при рекультивации. В связи с этим обращает на себя внимание совпадение полученных при индикации значений трофности для большинства почв — 10-11. Исключение составляют рекультивированные аллювиальные иловато-торфяно-глее-вые и перегнойно-глеевые почвы, трофность которых, по нашим данным, оценивается несколько выше — на уровне 12,5.

Заключение

Таким образом, на основании фитоиндикацион-ных исследований установлена существенная трансформация условий увлажненности и трофности почв Среднего Приобья в результате загрязнения нефтью и последующей рекультивации. Соответственно ординационные ряды естественных почв при загрязнении перестраиваются следующим образом (в порядке увеличения значений):

По градиенту влажности: таежные слабодифферен-цированные и светлоземы ^ подзолы иллювиально-железистые ^ торфяные олиготрофные (на грядах) ^ торфяные олиготрофные (на рямовых болотах и в мочажинах) + аллювиальные иловато-торфяно-глеевые и перегнойно-глеевые ^ торфяные эвтрофные (в сограх).

По градиенту трофности: 1) группа малой трофнос-ти (менее 4 (4,5) баллов) — торфяные олиготрофные почвы грядово-мочажинных болот; 2) группа средней трофности (4-6 (7) баллов) — таежные слабодиффе-ренцированные почвы, светлоземы и подзолы; 3) группа высокой трофности (более 6 баллов, в основном 10-12) — торфяные эвтрофные и аллювиальные ило-вато-торфяно-глеевые и перегнойно-глеевые почвы обской поймы. При этом обособленную группу неф-тезагрязненных почв составляют олиготрофные торфяные почвы рямовых болот, отличающихся очень широким диапазоном колебания трофности, фактически охватывающим все вышеуказанные группы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лапшина Е.Д. Использование экологических шкал для оценки и прогноза хозяйственной ценности природных угодий // Пути рационального использования почвенных, растительных и животных ресурсов Сибири. Томск, 1986. С. 86-91.

2. Лапшина Е.Д. Болота юго-востока Западной Сибири (ботаническое разнообразие, история и динамика накопления углерода в голоцене): Автореф. дис. ... докт. биол. наук. Томск, 2004. 40 с.

3. Львов Ю.А. Типы болотных земель по их мелиоративной ценности // Пути рационального использования почвенных, растительных и животных ресурсов Сибири. Томск, 1986. С. 80-85.

4. Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Соломещ А.И. Современная наука о растительности. М., 2001. 264 с.

Рекультивационные мероприятия на нефтезагряз-ненных почвах вызвали разнонаправленные изменения в условиях увлажненности. С одной стороны, олиготрофные торфяные почвы на рямовых болотах подверглись ксероморфизации, достигнув уровня, характерного для естественных болот, а в отдельных случаях — даже ниже него. С другой стороны, значительная гидроморфизация отмечается для таежных почв. Наконец, рекультивированные олиготрофные торфяные почвы грядово-мочажинных болот и аллювиальные иловато-торфяно-глеевые (перегнойно-глеевые) почвы характеризуются незначительными отклонениями по баллам увлажненности по сравнению с загрязненными аналогами. Совершенно иным образом трансформируются рекультивированные почвы Среднего Приобья по условиям трофности: в этом случае наблюдается резкий рост значений для всех почв, предельные уровни которого составляют 12-13 баллов.

5. Раменский Л.Г., Цаценкин И.А., Чижиков О.Н., Антипин Н.А. Экологическая оценка кормовых угодий по растительному покрову. М., 1956. 472 с.

6. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М., 1998. 376 с.

7. Телеснина В.М. Почвы долины среднего Енисея: взаимосвязь с растительностью и особенности антропогенных изменений: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2001. 26 с.

8. Шишконакова Е.А., Абрамова Л.И., Аветов Н.А. Опыт использования экологических шкал Л.Г. Раменского для индикации ландшафтов в нефтедобывающих районах Западной Сибири // Проблемы региональной экологии. 2006. № 1. С. 50-55.

Поступила в редакцию 03.05.06

PHYTOINDICATION OF MOISTURE-STATE AND NUTRITION CONTENT (TROPHY-STATUS) IN OIL-CONTAMINATED SOILS IN THE MIDDLE PRIOB'YE

N.A. Avetov, E.A. Shishkonakova

Phytoindication of soil moisture and trophy (nutrient status) was conducted on the basis of Ramen-sky's ecological scales in natural, oil-polluted and reclamated landscapes of the Middle Ob' region. The quantitative regularities of transformation in these ecological conditions and reasons causing them are revealed related to soil types and general ecosystem peculiarities.