CC BY
30
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2009, том 15, № 2 (38)
^ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ—==—
УДК574.9: 577.4 (571.5)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЗА ИЗМЕНЕНИЕМ БИОТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ СТЕПНЫХ ГЕОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОЙ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ АНОМАЛИИ
© 2009 г. Е.П. Бессолицына
Институт географии им. В.Б. Сочавы Сибирского отделения Российской академии наук Россия, 664033 г. Иркутск, ул. Уланбаторская, 1, а/я 379, E-mail: [email protected]
Реферат. Продолжены многолетние наблюдения за динамикой биотических компонентов степных геосистем в зоне контаминации Саяногорского алюминиевого завода, выявлено негативное влияние техногенного загрязнения на численность и биомассу беспозвоночных животных. Разработаны концептуальные основы диагностики состояния степных геосистем и степени их трансформации, базирующейся на принципах структурно-функциональной организации почвенной биоты, дан прогноз развития экологической ситуации, показаны возможности использования характеристик зооценозов для оптимизации системы экологического контроля в условиях геохимических аномалий.
Ключевые слова: техногенное воздействие, степные геосистемы, почва, численность и биомасса беспозвоночных, структура зооценозов, состояние, экологический контроль.
Преобразование природной среды, связанное как с традиционными использованием земель, так и с возрастающим техногенным загрязнением, делает необходимым всесторонний анализ экологических последствий различных форм антропогенного влияния. Методологическая и целевая ориентация экологического контроля, необходимого для сохранения социально-экологических функций ландшафта и совершенствования стратегии сохранения эталонных природных комплексов и уникальных экосистем, путем регламентации антропогенных нагрузок, должны быть связаны с регистрацией и прогнозом изменений объектов живой природы естественных и нарушенных геосистем наряду с абиотическими компонентами. При организации мероприятий по рациональному освоению и охране природных ресурсов определенный интерес представляет оценка влияния трансформированных условий на элементы биоты и глубокий анализ экологических последствий антропогенных изменений.
Саяногорский алюминиевый завод (СаАЗ), введенный в эксплуатацию в 1985 г., в настоящее время по объему производства алюминия занимает третье место в России. В результате запуска новых производственных мощностей - Хакасского алюминиевого завода (ХАЗ), построенного также в Койбальской степи Южно-Минусинской котловины около г. Саяногорска, уже в 2007 г. было выпущено более 700 тыс. тонн первичного алюминия. В дальнейшем также планируется стабильное увеличение объема производства, ежегодный прирост которого может составлять по 200 тыс. тонн металла (Новости цветной ..., 2008). Напряженная экологическая ситуация в зоне влияния этих предприятий носит устойчивый характер и практически не имеет перспектив к улучшению без осуществления радикальных мероприятий по экологизации природопользования на основе комплексного мониторинга за состоянием важнейших компонентов ландшафта.
Основным фактором техногенного воздействия на геосистемы в сухостепных условиях Южно-Минусинской котлвины является атмосферный перенос продуктов техногенеза алюминиевого производства, которое, как известно, сопровождается выбросами в твердой и газообразной формах значительных количеств фтористых и сернистых соединений, оксида
углерода, бенз(а)пирена и ряда других веществ, поступающих в различные компоненты геосистем. Несмотря на прогрессивные технологии и внедряемые новые системы газоочистки, природные ландшафты на значительной территории оказываются под техногенным прессом.
Как показали ландшафтно-геохимические исследования на территории, прилегающей к СаАЗу (Давыдова, 2008) из газово-пылевого потока в различные компоненты геосистем поступают фтор преимущественно в растворе - 80%, натрий на 50% в растворимой форме, алюминий в плохо растворимой форме - 70%. Многие хорошо растворимые вещества токсичны. Уровень накопления в почвах подвижного фтора и его валовой формы в растениях приближается к 4 ПДК, что является опасным для живых организмов. Следствием воздействия фтора является снижение биологической активности и плодородия почв.
Характерными поллютантами выступают также никель, ванадий, цинк и медь. Сравнительный анализ количества химических элементов в твердых аэрозолях эмиссий СаАЗа с почвами фона, в которых среднее содержание никеля составляет 36 мг/кг, ванадия -85, цинка - 57 и меди - 26 мг/кг, показал превышение их содержания (соответственно) в 15.2-20.8; 3.1-4.4; 1.7-4.0; 1.3-3.0 раза в зависимости от удаленности до источника воздействия. В составе техногенного вещества вблизи завода присутствуют натрий, кальций, магний, кремний, калий, железо, цинк и некоторые другие элементы, превышение содержания которых по сравнению с фоном менее чем в 1.5 раза (Давыдова, 2008).
Действие предприятия привело к изменению физических и химических характеристик почвы, гидротермического режима, а следовательно, трансформации растительных сообществ и среды обитания животных. Оценка содержания фторидов и других загрязняющих веществ в снежном покрове, почве и растениях показала, что по большинству исследованных поллютантов, территория вблизи источника выбросов представляет ярко выраженную геохимическую аномалию (Щетников, Зайченко, 1998). Кроме прямой контаминации, опасность ее последствий определяется изменением условий миграции природных химических элементов. Вызываемая воздействием выбросов, трансформация геохимической обстановки (подкисление почв, разрушение органоминеральных комплексов и т. д.) приводит к концентрации одних и рассеянию других элементов, в том числе и тяжелых металлов (Бессолицына и др., 1995).
Воздействие эмиссий на окружающую среду, затрагивающее все уровни организации экологических систем, вызывает существенные перестройки в структуре зооценозов. В зонах целого ряда длительно действующих промышленных предприятий наблюдается деградация биогеоценозов от стадии существенного нарушения до стадии техногенной пустоши.
Выбросы алюминиевого производства негативно отражаются на содержании в почвах основных элементов питания растений подвижных форм азота, фосфора и калия. Систематическое поступление поллютантов, накопление их в почве, в надземных и подземных органах растений, нарушает геохимическую обстановку, ухудшает условия существования биоты, вызывая изменение в тканях, дыхательных и обменных процессах живых организмов. Одним из интегральных показателей загрязнения почв является ее токсичность, т. е. способность отрицательно влиять на структурно-функциональное состояние почвенной биоты, включая растительность, микроорганизмы и почвенную фауну. Многие хорошо растворимые соединения опасны для человека, что, в конечном счете, приводит к ухудшению качества жизни и росту заболеваемости.
Объект и методы исследования
В физико-географическом отношении территория зоны влияния СаАЗа и ХАЗа является частью Абакано-Енисейского степного округа Минусинской провинции и находится в
непосредственном контакте с лесостепным Центрально-Минусинским - на востоке и подтаежным Уйско-Сизинским - на юге округами.
Степи Минусинской котловины, распространенные на выровненных поверхностях и по склонам невысоких гряд (250-450 м над ур. моря), относятся к настоящим тырсовым степям (Лавренко, 1956). В составе травостоя представлены степной кустарник - карагана карликовая и полукустарничек - полынь холодная, дерновинные злаки - тырса (ковыль Крылова), типчак, овсец пустынный, тонконог гребенчатый, мятлики, змеевка, осока стоповидная и др., широко распространены различные виды разнотравья (Волкова и др., 1987).
Своеобразие экологической обстановки степных геосистем обусловило развитие наиболее ксероморфной группы почв - черноземов обыкновенных и южных. Мощность гумусового горизонта, сформировавшегося в условиях естественной дренированности, варьирует от 15-20 до 30-45, реже до 80-100 см. Более пониженные в гипсометрическом отношении участки занимают полугидроморфные аналоги черноземов - лугово-черноземные почвы. В бессточных замкнутых понижениях наблюдаются луговые и лугово-болотные почвы. В зоне влияния СаАЗа встречаются также солонцевато-засолоделые и осолоделые разности. Подстилающими породами являются аллювиальные отложения с хорошей водопроницаемостью, представленные галечниками с участием песчаных и супесчаных разностей. Под сосновыми борами распространены светло-серые лесные почвы на песчаных отложениях. В настоящее время в окрестностях завода преобладают нераспаханные площади, которые используются как пастбища. Существующие обрабатываемые участки подвергаются в различной степени ветровой эрозии.
Антропогенная динамика почвенной биоты изучалась в зонах разной интенсивности воздействия на специально выбранных тестовых площадях, отражающих сходные по эколого-геогрфическим характеристикам природные и трансформированные биогеоценозы. Исследования проводились в 1986-1992 гг. Пробные площади выбирались на различном расстоянии от источника эмиссий с целью наиболее полного охвата разнообразия ландшафтно-экологических ситуаций территории и с учетом преобладающего переноса контаминантов. Общее число пунктов наблюдений за состоянием почв, растительности и беспозвоночных животных в отдельные годы составляло более 40.
С целью экологического контроля наблюдения были продолжены в 2001 и 2006-2008 гг. на базовых ключевых участках, расположенных в зоне влияния предприятия, включая степные геосистемы и сосновые леса. Исследования выполнены по единой методике с использованием сравнительно-географического подхода.
Сбор материала и его обработка осуществлялись по методикам, рекомендованным для эколого-фаунистических, почвенно-зоологических и биогеоценологических исследований (Программа ..., 1974; Гиляров, 1975; Количественные методы ..., 1987). Для определения численности и биомассы обитателей почвы и подстилки на каждой площади с применением монолитореза размером 25х25 см в шахматном порядке брали 6-8 проб глубиной 25-40 см (в зависимости от предельной встречаемости беспозвоночных). Для сравнительного анализа использовались широко распространенные в почвенно-зоологических исследованиях расчеты количества беспозвоночных на единицу площади земной поверхности (экз., мг, г/м2). Количественные характеристики (численность и биомасса педобионтов) представлены графически по средним (суммарным) для каждой площади величинам с использованием методов математической статистики (Боровиков, Боровиков, 1998) и пакетов программ Excel.
Изменение мезонаселения почв в условиях техногенного воздействия
Дефицит влаги составляет основную особенность степных биогеоценозов, что сказывается на структуре и количественных характеристиках мезонаселения почв. Суммарная биомасса почвенных беспозвоночных невелика из-за отсутствия крупных сапрфагов. В структуре комплекса артропод основная часть представлена насекомыми, на долю которых приходится до 98% численности и 99% веса педобионтов. Среди них наиболее многочисленны обитатели поверхности почвы и подстилки: жужелицы, чернотелки, муравьи.
В дифференциации структуры животного населения большую роль играет рельеф местности и конкретная экологическая обстановка. На склонах и повышенных элементах рельефа, где маломощные и, как правило, щебнистые почвы подвергаются сильному ветровому воздействию и иссушению, формируются сообщества с невысокой численностью и биомассой. Относительно оптимальные условия обитания складываются в нижних частях склонов и на выровненных поверхностях, где ослабление ксероморфности в сочетании с более развитым растительным покровом благоприятно сказывается на структуре мезонаселения.
Анализ имеющихся данных показал, что основные черты, свойственные сообществам почвенных беспозвоночных степных и лесных геосистем южно-сибирского типа, в зоне умеренного влияния пока сохраняются, техногенное вещество при данном уровне накопления и проникновения его в почву не является высоко токсичным для живых организмов.
Коренная перестройка структуры зооценозов в настоящее время локализована в непосредственной близости от источников эмиссий - в 1.5-5 километровой зоне. Общее количество беспозвоночных статистически достоверно увеличивается по мере удаления от источника эмиссии и уменьшения содержания основных ингредиентов выбросов в слое 010 см (рис. 1, 2). Особенно заметно возрастает численность обитателей подстилки и травянистого покрова - прямокрылых, паукообразных, жесткокрылых. Происходит это главным образом вследствие изменения структуры герпетобионтного комплекса в большей мере испытывающего прямое и опосредованное влияние аккумуляции техногенного вещества. Устойчивость описываемых тенденций, улавливаемых и методом раскопок, и почвенными ловушками, позволяет констатировать отмеченные изменения как преобразования биотических комплексов, происходящие в результате влияния контаминации. Негативное воздействие поллютантов на состояние герпетобия усиливается эффектом пылевой нагрузки, особенно вблизи строительных площадок завода и автодорог. Техногенная пыль отрицательно сказывается на состоянии трахейной системы, снижая эффективность дыхания членистоногих, обитающих в подстилке и на поверхности почвы.
Наибольшее количество и видовое разнообразие отмечены на пробных площадях на расстоянии 17-20 км в восточном и северо-восточном направлении от СаАЗа (рис. 1). По мере приближения к заводу значительно снижается численность пауков, литобиид, формицид, стафидлинид, жужелиц, антицид, чернотелок, долгоносиков, личинок двукрылых, в лесных биогеоценозах - люмбрицид и энхитреид, уменьшается встречаемость видов. На расстоянии 2-3 км от источников выбросов наблюдается полная элиминация мирмицин, сетчатокрылых, на окраине Очурского бора, наиболее приближенной к заводу полностью исчезают люмбрициды, энхитреиды, моллюски. Обеднение почвенного комплекса в конечном итоге ведет к отрицательным последствиям: обесструктуриванию поверхностного слоя, нарушению водно-физических свойств, снижению биологической активности и устойчивости к антропогенным воздействиям.
° 1500 -
о 1000
500
JESL
ш
■К-1
2 3 4
Пробные площади
□ 12 □ 11 И 10
□ 9 08
□ 7
□ 6
□ 5 Н4 ■ 3
□ 2 В1
3000 1
2500 -
в о
н =
о в »о о
2000
1500
1000 -
500
■ш
Пробные площади
□ 12 S11 □ 10
□ 9 н8 Н7 Иб
□ 5 S 4 ■ 3
12 В 1
-I--1
2 3
А
В
0
0
Рис. 1. Изменение структуры мезонаселения и массы беспозвоночных в почвах степных биогеоценозов в зоне влияния СаАЗа: А - профиль восточного направления (данные 2001 г.), Б -профиль западного направления (данные 2001 г.), В - базовые мониторинговые площадки (данные 2006 г.): 1 - энхитреиды, 2 - паукообразные, 3 - многоножки, 4 - карабиды, 5 - стафилиниды, 6 -пластинчатоусые, 7 - элатериды, 8 - антициды, 9 - чернотелки, 10 - долгоносики, 11 - формициды, 12 - двукрылые. Номера пробных площадей и расстояние от СаАЗа (А): 1 - в зоне сильного (1-2 км), 2, 3 - среднего (7, 10 км), 4, 5 - слабого воздействия (17, 19 км); (Б): 1, 2 - в зоне сильного (1-3 км), 3, 4 - среднего (6-10 км), 5,6 - слабого (17, 19 км) воздействия; (В): 1 - в зоне сильного (1-2 км), 2 -среднего (12 км), 3 - слабого (19-20 км) воздействия. Fig. 1. Structural changes of the invertebrate mesopopulation and biomass in soils of steppe biogeocenoses in the SaAS influence zone: A - profile of the eastward direction (data for 2001), B - profile of the westward direction (data for 2001), C - base monitoring sites (data for 2006): 1 - Enchytraeidae, 2 - Arachnoidea, 3 - Myriapoda, 4 - Carabidae, 5 - Staphylinidae, 6 - Scarabaeidae, 7 - Elateridae, 8 - Anthicidae, 9 - Tenebrionidae, 10 - Curculionidae, 11 - Formicidae, 12 - Diptera. Trial plot numbers and distance from CaAS (A): 1 - in the zone of strong (1-2 km), 2, 3 -moderate (7, 10 km), 4, 5 - weak impact (15, 17 km); (B) 1, 2 - in the zone of strong (1-3 km), 3, 4 -moderate (6-10 km), 5, 6 - weak (17, 19 km) impact; (C) 1 - in the zone of strong (1-2 km), 2 - moderate (12 km), 3 - weak (19-20 km) impact.
6000 -,
5000 -
- 4000
п g
=
S 3000 о о
ч
<и
® 2000
о о Я
^ 1000 -
А
11ЛЛЛЛЛ
Ш
■ \ ■■■ ■■■ ■■■ ■■■
1 2 Пробные площади
И 12 ЕЭ 11 ПИ 10
□ 9
И8
□ 7
□ 6 S5 В 4 ИЗ Ш 2 H 1
4500 п
4000 -
ts
3500 -
3000
о
« 2500
о
S
*© 2000 ч ш
® 1500
я
и
« 1000
500
Ш№
Б
wm
1 2 Пробные площади
ID 12 □ 11 Ш 10
□ 9 ¡18
□ 7
□ 6 S 5 В 4 □ 3 ЕЭ2 В 1
0
0
Рис. 2. Изменение структуры мезонаселения и массы педобионтов в почвах сосновых лесов в зоне влияния СаАЗа: А - 2001 г., Б - 2006 г.: 1 - олигохеты, 2 - паукообразные, 3 - геофилиды, 4 -литобииды, 5 - карабиды, 6 - стафилиниды, 7 - скарабеиды, 8 - элатериды, 9 - долгоносики, 10 -мирмецины, 11 - формицины, 12 - двукрылые. Номера пробных площадей и расстояние от СаАЗа: 1 - в зоне среднего (Очурский бор, 9, 12 км), 2 - очень слабого (Шушенский бор, 45, 48 км) воздействия. Fig. 2. Structural changes of the mesopopulation and mass of pedobionts in soils of pine forests in the SaAS influence zone: A - 2001, B - 2006: 1 - Oligochaeta, 2 - Arachnoidea, 3 - Geophilidae, 4 - Lithobiidae, 5 - Carabidae, 6 - Staphylinidae, 7 - Scarabaeidae, 8 - Elateridae, 9 - Curculionidae, 10 -Myrmecinae, 11 - Formicinae, 12 - Diptera. Trial plot numbers and distance from CaAS (A): 1 - in the zone of moderate (Ochursky Bor, 9, 12 km), 2 - very weak (Shushensky Bor, 45, 48 km) impact.
На фоне уменьшения массы беспозвоночных в почвах под влиянием антропогенно-техногенных воздействий происходит аккумуляция химических ингредиентов в живых организмах, что в последствии отрицательно скажется на состоянии популяций и приведет к снижению видового разнообразия и упрощению структуры почвенно-биотического комплекса.
Из числа загрязняющих веществ наиболее токсичным является фтор, интенсивное накопление которого наблюдается в подстилке, почве, различных органах растений и тканях животных. Фторсодержащие поллютанты оказывают ингибирующее и реппелентное влияние на насекомых дендробионтов, существенно изменяя состав и численность не только их отдельных видов, но и родов и целых семейств (Рожков и др., 1986).
Исследования в зоне контаминации СаАЗа показали, что выраженный максимум содержания фтора в тканях доминирующих групп беспозвоночных отмечается на расстоянии до 2 км от источника эмиссий. В этой зоне содержание фтора у отдельных видов достигает 84.7-115.8 мкг/г сухого вещества. Беспозвоночные, находящиеся на расстоянии более 10 км от завода, содержат фтора в 7-9 раз меньше, чем представители этих же групп вблизи предприятия.
Влияние техногенных эмиссий на содержание фтора в костной ткани мелких млекопитающих, как и в беспозвоночных животных, сказывается на расстоянии до 15 км, но максимальное количество этого элемента отмечено в санитарно-защитной зоне. Количество
фтора в животных тканях по мере удаления от СаАЗа уменьшается по всем обследованным профилям и прослеживается положительная связь этого показателя с изменением его количества в верхнем слое почвы (Бессолицына, Зайченко, 1996). Накопление техногенного фтора будет способствовать повышению его концентрации во всех компонентах геосистем и увеличению его токсичности для обитателей почв.
Полученные данные по содержанию ряда других химических элементов, имеющих техногенное происхождение - никеля, ванадия, хрома и меди, свидетельствуют о том, что уровень их концентрации в растительных и животных тканях соответствует распределению этих контаминантов в зоне воздействия завода. В золе растительноядных насекомых -акридид концентрация никеля на расстоянии 2-3 км от СаАЗа составляла 16-30 мг/кг, в 1617-километровой зоне - в 3-4 раза ниже. Сходная закономерность отмечена для живых корней. Достоверные различия содержания никеля и ванадия были обнаружены в мелких млекопитающих. Накопление меди отмечено в тканях прямокрылых - степной и сибирской кобылок (Бессолицына и др., 1995).
Ухудшение ландшафтно-геохимической обстановки в зоне влияния СаАЗа может произойти за счет того, что фтор для большинства тяжелых металлов является сильным аддентом, благодаря чему возможно образование высокотоксичных комплексных соединений. Кроме того, в составе аэропромвыбросов имеются твердые отходы, которые являются дополнительным источником загрязнения.
В лесных биогеоценозах действие фторсодержащих промышленных выбросов на почвенную фауну несколько ослаблено. Изменения структуры мезонаселения почв в Очурском бору протекают менее напряженно и с меньшими амплитудами (рис. 2), несколько усугубляясь в отдельные годы рекреационной нагрузкой. Однако с увеличением интенсивности эмиссий их воздействие более существенно отразится на состоянии лесных фитоценозов. Результаты многолетних исследований в других районах (Анисимова, Соков, 1975; Давыдова, 2001) свидетельствует о том, что в зонах влияния фторвыбрасывающих предприятий наблюдается деградация древесной растительности с почти полной сменой видового состава, потеря возможности самовозобновления, хлороз и некроз листьев, снижается количество хвои.
Ослабленные в условиях контаминации древостои в большей степени подвергаются нападению как хвоегрызущих, так и стволовых вредителей, поражаются минирующими насекомыми, галлообразователями и другими фитофагами, развитие которых протекает в тканях вегетативных и генеративных органов растений. Ксилофаги (сосновые лубоеды, шестизубый короед, хвойный древесинник и др.), заселяя комлевую часть стволов, ускоряют гибель ослабленных деревьев. Снижение резистентности древостоев под влиянием техногенной нагрузки и активизации деятельности энтомовредителей способствует более быстрому усыханию деревьев и деградации как естественных, так и искусственно созданных лесных массивов.
В результате проведенных исследований установлено как в лесных, так и в степных биогеоценозах по мере увеличения степени загрязнения почвы происходит обеднение видового состава, отмечается снижение численности, биомассы и разнообразия биотических сообществ вплоть до полного исчезновения отдельных таксонов. Максимальная плотность и видовое обилие беспозвоночных обнаруживается на пробных площадях наиболее удаленных от источников эмиссий. Здесь накопление поллютантов в почве и растениях происходит медленнее. Структура и количественные характеристики населения животных в течение вегетационного периода и по годам изменяются в пределах естественных флуктуаций.
Формирование системы регионального экологического контроля
Оценка техногенного воздействия на природные ландшафты предполагает решение ряда методологических вопросов, связанных с оптимизацией системы мониторинга и, прежде всего, выделения регионов и экологических зон, где такие наблюдения необходимы и наиболее эффективны, а также обоснование объектов мониторинга, данные которого должны стать основой для реализации природоохранных мероприятий и взаимоотношений природопользователей с органами управления. Наиболее важными объектами регионального комплексного экологического мониторинга должны быть: промышленно-урбанизированные территории; земли сельскохозяйственного назначения - интенсивного земледельческого использования (обрабатываемые поля, дачные участки и пр.), пастбищно-луговые, связанные с развитием животноводства и лесохозяйственные земли, а также природоохранные территории и водные объекты.
В качестве базы для экологического контроля могут использоваться охраняемые территории - биосферные заповедники, биологические станции, а также географические стационары, имеющие полигоны-трансекты и многолетние ряды наблюдений в различных типах природной среды. Понимание структкрно-функциональных закономерностей трансформации биогеоценозов должно базироваться на изучении всех основных компонентов, их временной и пространственной изменчивости с учетом влияния природно-климатических параметров, а также определения реального вклада отдельных источников антропогенных нагрузок. Решение одной из основных методологических задач - вычленение минимальной совокупности территорий, наиболее полно отражающей региональное многообразие ландшафтной структуры, а следовательно и биологических явлений, может осуществляться на основе ландшафтно-экологических карт.
Выделение наиболее информативных характеристик состояния геосистем, ответственных за самые важные звенья биогеохимического круговорота, также представляет одну из концепций оптимизации системы мониторинга. Педобионты, благодаря тесной связи с почвой и наличию ответной реакции на изменения параметров среды, представляют перспективный тест-объект, позволяющий на разных стадиях антропогенной трансформации обнаружить отклонения в функционировании почвенного блока и природного комплекса в целом. Наличие корреляционных и причинно-следственных связей между геохимическими условиями и характеристиками биотических компонентов геосистем послужило методологической базой для разработки критериев оценки состояния антропогенно нарушенных природных комплексов (Бессолицына, 2001 а). По сравнению с геофизическими и геохимическими методами оценка степени изменений биотических сообществ в условиях антропогенного воздействия для определения качества и жизненности экосистем может оказаться более информативной и технически менее сложной.
Осуществляя контроль в зонах техногенных аномалий, особое внимание необходимо уделять критериям, характеризующим процессы деградации биогеоценозов: в растительном покрове - фитоценотической перестройке сообществ, снижению продуктивности; в почвенно-биотическом блоке - изменению структуры зооценозов, дестабилизации уровня численности фоновых видов, сокращению таксономического разнообразия, снижению биологической активности почвы. Для определения токсичности техногенных эмиссий и особенностей распределения и миграции отдельных элементов целесообразны наблюдения за их аккумуляцией в звеньях трофической цепи в зоне сильного воздействия и за ее пределами. Здесь могут быть использованы почвенные и наземные беспозвоночные, а также мелкие млекопитающие, связанные с химизмом среды через пищевые объекты.
Как показали наши исследования в зонах влияния Назаровской ТЭС и Саянского алюминиевого завода (Бессолицына, 2001 б), реакция педобионтов неоднозначна на разные
типы техногенных эмиссий. Выделяется две основные группы экзогенных химических веществ, на которые почвенные беспозвоночные реагируют по-разному: токсические, угнетающие живые организмы и вещества, до определенного уровня контаминации, положительно влияющие на отдельные группы и виды животных.
Для сбора и анализа информации необходимы региональные центры, подведомственные областным комитетам по экологии и наделенные полномочиями по методическому руководству, координации и согласованию территориальных программ экологического контроля за состоянием природных ландшафтов в пределах техногенных аномалий.
В зонах аккумуляции поллютантов следует систематически осуществлять мероприятия, направленные на сохранение и повышение устойчивости биогеоценозов, такие как:
- нормирование или временное прекращение пастьбы скота с целью обеспечения возможности восстановления биотических сообществ;
- ограничение рекреационных нагрузок в наиболее чувствительных к антропогенному воздействию местах;
- своевременные фитосанитарные вмешательства в лесных биогеоценозах (уборка усыхающих деревьев, борьба с вредителями и болезнями леса и т.д.);
- организация санитарно-защитных зон из устойчивых к неблагоприятным факторам лесных насаждений, ограничивающих распространение поллютантов на значительные территории.
Заключение
Многолетние наблюдения в зоне воздействия аэропромвыбросов Саяногорского алюминиевого завода показали, что численность и биомасса доминирующих в степных и лесных биогеоценозах беспозвоночных находятся в прямой зависимости от расстояния до источника эмиссий и в обратной - с интенсивностью нагрузки. Ингибирование сообществ педобионтов ведет к снижению видового разнообразия и редукции биотического комплекса, что в последствии отрицательно сказывается на биологической активности и устойчивости почвенных экосистем.
Механизмом антропогенных трансформаций, как правило, является изменение либо гидротермического режима, либо физико-химических свойств почвы, обусловливающие соответствующие изменения биотических сообществ. Вероятность проявления нежелательных последствий определяются структурно-динамическими особенностями ландшафтных единиц, масштабами и уровнем воздействия. Наиболее глубокие изменения структуры биотических сообществ наблюдаются в самых динамичных категориях, где при трансформации геосистем действие лимитирующих факторов значительно усиливается.
Биогеоценозы степного ландшафта обладают относительно низким запасом функционально активных элементов почвенной биоты, с деятельностью которых связаны процессы деструкции отмершей органики и биогенной миграции химических веществ. Изменение структуры зооценозов в рассматриваемом диапазоне контаминации происходит в сторону снижения численности почвенных беспозвоночных, способствующих самоочищению почв в зонах промышленных аномалий.
Ингибирование сообществ беспозвоночных при поступлении техногенных веществ на более значительные территории в количестве, соответствующем уровню загрязнения в санитарной зоне, может привести к деградации почвенно-биотического блока и радикальной деформации экологических систем в целом. Учитывая особенности мезонаселения почв степных ландшафтов и его низкую функциональную активность в связи с угнетенным состоянием в результате засушливого климата, локального воздействия рекреационной или пастбищной нагрузки, следует отметить, что при увеличении мощности загрязнения
негативное влияние на биотические комплексы значительно усилится, т.к. аккумуляция техногенного вещества будет преобладать над процессами его трансформации и миграции.
Сообщества почвенных беспозвоночных являются носителями эколого-географической информации о процессах, протекающих в почвах, чувствительны к изменению эдафических условий под воздействием антропогенных факторов и могут использоваться в качестве индикаторов для оценки состояния геосистем и экологического контроля. В зависимости от целей и возможности применяемых методов объектами мониторинга могут быть: общая численность и биомасса беспозвоночных на 1 м2; таксономический состав сообществ; трофическая структура зооценоза; численность и биомасса доминирующих видов на 1 м2. В целом для экологического контроля в определенной степени могут использоваться те же оценочные критерии, что и для биодиагностики состояния природных комплексов.
Контроль за биотой может осуществляться на видовом, популяционном и ценотическом уровнях с использованием организмов различных таксономических рангов. Одним из направлений мониторинга является контроль за уровнем загрязнения биотической компоненты ландшафта, т. е. за накоплением контаминантов, проникающих через покровы тела и пищеварительный тракт беспозвоночных в зонах промышленных аномалий. Являясь сорбентами природных и синтезируемых или привнесенных человеком токсических соединений, почвообитающие животные выполняют активную роль в трансформации и перераспределении поступающих в почву веществ.
Характер трансформации биотических сообществ зависит от типа воздействия: позитивные ответные реакции отдельных элементов зооценозов в начальный период контаминации наблюдаются в условиях «мягкого (щелочного)» типа, негативные изменения проявляются при «жестком (фторовом кислом)» типе.
Исследование животного населения в условиях техногенных геохимических аномалий расширяют и обогащают информационную базу прогнозирования изменений природных комплексов, а также представляют значительный интерес для диагностики их состояния и регламентации неблагоприятных воздействий в целях предотвращения деградации биотических сообществ и сохранения природных ландшафтов. Наличие индикационных связей, простота методики учета и возможность использования беспозвоночных для интегрированной оценки токсичности химического прессинга и прогнозного биотестирования дают основание для включения почвенной биоты в систему режимного геоэкологического мониторинга.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Анисимова О. А., Соков М.К. 1975. Роль насекомых в древостоях, ослабленных токсическими выбросами алюминиевых заводов // Влияние антропогенных и природных факторов на хвойные деревья. Иркутск. С. 61-85. Бессолицына Е.П. 2001 а. Ландшафтно-экологическая оценка изменения геосистем под воздействием антропогенных факторов // География и природные ресурсы. № 4. С. 1117.
Бессолицына Е.П. 2001 б. Ландшафтно-экологический анализ структуры зооценозов почв
юга Сибири. Иркутск: Изд-во ИГСО РАН. 166 с. Бессолицына Е.П. 2006. Геоэкологические методы оценки состояния геосистем // Новые
географические знания и направления исследований. Киев. С. 254-263. Бессолицына Е.П., Зайченко О.А. 1996. Оценка состояния биотических компонентов ландшафта в зоне влияния Саянского алюминиевого завода // География и природные ресурсы. № 3. С. 38-46.
Бессолицына Е.П., Зайченко О.А., Любцева Е.М., Семенова Л.Н. 1995. Ландшафтно-
экологический подход к прогнозированию состояния окружающей среды в зоне техногенного воздействия // Цветная металлургия. № 6. С. 24-27. Боровиков В.П., Боровиков И.П. 1998. Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. М. 608 с.
Волкова В.Г., Кочуров Б.И., Хакимзянова Ф.И. 1987. Современное состояние степей
Минусинской котловины. Новосибирск: Наука. 192 с. Гиляров М.С. 1975. Учет крупных беспозвоночных (мезофауны) // Методы почвенно-
зоологических исследований. М.: Наука. С. 12-29. Давыдова Н.Д. 2001. Формирование техногенных геохимических аномалий в южнотаежных плоскогорных геосистемах Средней Сибири // География и природные ресурсы. № 2. С. 73-80.
Давыдова Н.Д. 2008. Техногенные потоки и дифференциация веществ в геосистемах // Географические исследования Сибири. Т. 2. Ландшафтообразующие процессы. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео». С. 261-276. Количественные методы в почвенной зоологии. 1987. М.: Наука. 288 с.
Лавренко Е.М. 1956. Степи и сельскохозяйственные земли на месте степей // Растительный
покров СССР. М.-Л. Т. II. С. 595-730. Новости цветной и черной металлургии России и СНГ // www.infogeo.ru/metalls/news. Программа и методика биогеоценологических исследований. 1974. М.: Наука. 404 с. Рожков А.С., Анисимова О.А, Михайлова Т.А. 1986. Влияние вторсодержащих промышленных выбросов на энтомоценозы хвойного леса // Проблемы и пути рацинального использования природных ресурсов и охраны природы. Вильнюс. С. 137-138.
Щетников А.И., Зайченко О.А. 1998. Формирование ситуации экологического неблагополучия в районе размещения Саянского алюминиевого завода // Экологический риск: анализ, оценка, прогноз. Иркутск: Изд-во ИГСО РАН. С. 49-50.
ECOLOGICAL MONITORING OF THE CHANGES OF BIOTIC COMPONENTS IN STEPPE GEOSYSTEMS UNDER CONDITIONS OF A GEOCHEMICAL ANOMALY
© 2009. E.P. Bessolitsyna
V.B Sochava Institute of Geography at the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Russia, 664033 Irkutsk, Ulan-Batorskaya St., 1, а/я 379, E-mail: [email protected]
Abstract. The ongoing long-term observations of the dynamics of biotic components in steppe geosystems in the contamination zone of the Sayanogorsk Aluminum Smelter (SaAS) revealed a negative influence of technogenic contamination on the invertebrate abundance and biomass.
The conceptual framework has been developed for diagnosing the state of steppe geosystems and the degree of their transformation, based on the principles of structural-functional organization of the soil biota, a forecast is made for the development of the ecological situation, and the possible uses of the characteristics of zoocenoses in optimizing the ecological monitoring system under conditions of geochemical anomalies are demonstrated.
Keywords: technogenic impact, steppe geosystems, soil, abundance and biomass of invertebrates, structure of zoocenoses, state, ecological monitoring.
