Фитоиндикаторы техногенного подтопления в зоне влияния полигона промышленных отходов

The purpose of our researches was studying of possibility of application of phytoindicators at monitoring of technogenic flooding. Changes of a projective covering, specific riches, specific structure on a flooding gradient are established. For flooding studying Ellenberg's and Tsyganov's phytoindicator scales are approved. Phytoindicator scales allow to diagnose as flooding process (i.e. humidity increase soils), and process of chemical pollution soils (salinization).

Широко распространенным в техногенных ландшафтах геологическим процессом является подтопление – направленное повышение влажности грунтов, вызванное подъемом уровня грунтовых вод. Острота возникающих при подтоплении проблем возрастает в крупных городах, в промышленных зонах, на территории экологически опасных объектов. Подтопление – это многофакторный процесс, осложняющий хозяйственное использование территории, действие которого приводит к экологическим, экономическим и социальным потерям. Все это обуславливает необходимость разработки методов, позволяющих эффективно диагностировать зоны развития процессов подтопления, в том числе, методов, не требующих бурения, шурфования и других работ, часто невыполнимых в условиях техногенного ландшафта (например, на промплощадке предприятия). Таким методом является фитоиндикация, основанная на способности растительности отражать условия геологической среды. Современные геологические процессы и явления часто проявляются в структуре и динамике растительного покрова, в сукцессиях растительности. Ряд показателей сложно определить непосредственными измерениями (например, влажность почвогрунтов и ее динамику). В этом случае эффективно используют фитоиндикаторы. При фитоиндикации фактор оценивается в небольшом числе градаций (классов), которые, тем не менее, имеют высокую экологическую информативность.

Целью наших исследований являлось изучение возможности применения фитоиндикаторов при мониторинге техногенного подтопления. Задачи: геоботаническая съемка по градиенту воздействия; сопряженный анализ геоботанических и геохимических данных; выявление изменений проективного покрытия, видового богатства, видового состава растительности в зоне подтопления.

Объект исследований – полигон твердых отходов химического завода. На предприятии применяется технология обработки апатитового концентрата, обуславливающая образование твердых фосфогипсовых отходов, которые складируются на территории промплощадки завода. Фосфогипс в отвалах содержит до 40% влаги; в его составе около 97% составляет гипс и 3% - фосфаты железа и алюминия, ортофосфорная кислота, фторсиликаты калия и натрия, фториды кальция. Отвалы фосфогипса являются постоянно действующим источником поступления загрязняющих веществ в поверхностные и грунтовые воды, почвогрунты. Вследствие нарушения естественного стока в пределах отвалов и в зоне их влияния развиваются процессы подтопления.

Для изучения процесса подтопления загрязненными водами в зоне влияния отвалов фосфогипса выполнялась геоботаническая съемка на пробных площадках по общепринятым методикам (размер пробной площадки 10х10 м). Всего зоне подтопления и вне ее заложены 16 пробных площадок. Проективное покрытие определялось по 5-бальной шкале: + меньше 1%, 1 –  менее 5%, 2 –  6-15, 3 – 16-25, 4 –  26-50, 5 –  более 50%.

Для оценки изменений характеристик почвогрунтов использовались фитоиндикационные шкалы Д.Н. Цыганова и Х. Элленберга. Балловые оценки рассчитывались для каждого геоботанического описания. При использовании шкал Д.Н. Цыганова расчет выполнялся методом средневзвешенной середины интервала.

Полигон фосфогипсовых отходов, даже среди других техногенных ландшафтов, выделяется особой «безжизненностью». Главная причина этой «безжизненности» – токсичная среда: грунты, поверхностные и подземные воды вблизи отвалов фосфогипса имеют высокую минерализацию и очень низкий рН. Формирования растительного покрова на отвалах длится несколько десятилетий. После того, как фосфогипс теряет влагу, выветривается, токсичность субстрата снижается и на его поверхности появляются растения-пионеры. Такими пионерами являются вейник наземный (Calamagrostis epigeios (L.) Roth), иван-чай узколистный (Chamerion angustifolium (L.) Scop.) и другие.

http://geoecograph.blogspot.com/2014/11/Sukcessija-na-otvalah-fosfogipsa.html

http://geoecograph.blogspot.com/2014/04/succession-on-phosphogypsum-dumps.html

Анализ картографического материала (военно-топографическая карта Могилевской губернии 3 версты в 1 дюйме 1866 г., топографические карты Генерального штаба Красной Армии 1:100000-1:200000 1923-1929 гг.) показал, что в районе исследований (отвалы фосфогипса и зона их влияния) болота и заболоченные места отсутствовали. Развитие заболачивания и подтопления произошло на этой территории в более позднее время, т.е. после создания техногенных объектов (1960-е гг.), сопровождаемого преобразованиями рельефа и нарушением поверхностного стока. К началу 2000-х гг. уровень грунтовых вод повысился на 0,5-2,0 м за счет техногенной составляющей инфильтрационного питания (утечки из водонесущих коммуникаций, отжатие воды из отвалов фосфогипса, изменение условий поверхностного и подземного стока). Значительный экологический риск этого процесса обусловлен тем, что грунтовые воды имеют высокий уровень химического загрязнения и коррозионной агрессивности.

Подтопление загрязненными водами изучалось на примере водоема, являющегося приемником поверхностного и грунтового стока с отвалов фосфогипса. В 2008-2011 гг. общая минерализация вод здесь составляла 6,5-9,8 г/дм³ (содержание сульфат-иона – 3,2-4,1 г/дм³; фосфора фосфатного – 1,5-2,1 г/дм³; фтор-иона – 0,22-0,35 г/дм³; азота аммонийного – 3-23 мг/дм³; иона алюминия – 60-78 мг/дм³). Воды характеризуются крайне кислой реакцией (рН=2,07-2,35).

Водная растительность (погруженные и наводные гидрофиты) здесь отсутствуют полностью. Прибрежно-водная растительность представлена угнетенными рогозово-тростниковыми группировками, распространенными мозаично. Видовой состав отличается низким разнообразием (всего отмечено 6 видов). По берегам наиболее крупного водоема (глубина – до 1,5 м) локально отмечаются ивовые заросли с примесью березы повислой. Характерная особенность этих ивово-березовых зарослей является их угнетенное состояние – 40-80% сухостой.

В период увеличения поверхностного стока имеет место подтопление луговых и кустарниковых экосистем, примыкающих к водоему. По степени воздействия подтопления загрязненными водами на луговые экосистемы выделены три участка:

1 – сильной трансформации (глубина грунтовых вод – 0,2-0,5 м);

2 – средней трансформации (глубина грунтовых вод – 0,5-1,5 м);

3 – слабой трансформации (глубина грунтовых вод – более 1,5 м).

Соответственно все описания растительности были разделены на три группы. Для каждой группы описаний получены средние значения проективного покрытия (в %), видового богатства (число видов на 100 м²), фитоиндикационных шкал (влажности, азотного богатства, кислотно-щелочных условий, солевого богатства).

В почвогрунтах, подтопленных загрязненными водами, отмечается увеличение минерализации (в 7 раз по сравнению с фоном), содержания сульфат-иона (в 8,3 раза), содержания фосфора фосфатного (в 53,4 раза), содержания азота аммонийного (в 10,3 раза), содержание иона алюминия (в 5 раз). Снижается рН (в 1,5 раза).

Растительный покров лугов, расположенных вне зоны подтопления, имеет проективное покрытие 80-85% и формируется многолетними травами и злаками, среди которых преобладают лапчатка гусиная (Potentilla anserina L.), полевица тонкая (Agrostis tenuis Sibth.), тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.), мятлик луговой (Poa pratensis L.), люцерна хмелевая (Medicago lupulina L.), клевер луговой (Trifolium pratense L.), горошек мышиный (Vicia cracca L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale F.H. Wigg.), ежа сборная (Dactylis glomerata L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.) и другие.

В зоне подтопления проективное покрытие снижается до 30-60%. 

Растительный покров имеет мозаичное строение: часть подтопленных почв полностью лишена растений.

Наблюдается усыхание травянистой и древесно-кустарниковой растительности в местах выхода загрязненных вод на земную поверхность (т.е. в понижениях нано- и микрорельефа).

Снижается в целом видовое богатство растительности (в 2,3 раза).

Наиболее часто встречаются дербенник ивоволистный (Lythrum salicaria L.), иван-чай узколистный (Chamerion angustifolium (L.) Holub), пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski), щавель курчавый (Rumex crispus L.). Отмечены также череда трехраздельная (Bidens tripartita L.), тростник обыкновенный (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.), мятлик луговой (Poa pratensis L.), лапчатка гусиная (Potentilla anserina L.), кипрей болотный (Epilobium palustre L.), птармика хрящеватая (Ptarmica vulgaris Hill or Blackw. ex DC.) и другие.

По мере роста загрязнения почвогрунтов остаются только единичные виды – иван-чай узколистный и тростник обыкновенный (наиболее устойчивые к засолению).

Определить изменения влажности почвогрунтов в процессе подтопления можно с помощью фитоиндикационных экологических шкал. Для оценки влажности почвогрунтов нами были рассчитаны средние значения по 12-бальной шкале влажности Х. Элленберга (F) и по 23-бальной шкале влажности Д.Н. Цыганова (Hd).

Применение фитоиндикационных шкал показывает, что в зоне подтопления наблюдается:

увеличение влажности почвогрунтов (средние значения шкалы увлажнения Hd Д.Н. Цыганова увеличиваются на 1,55 балла, шкалы F Х. Элленберга – на 0,51 балла);

увеличение азотного богатства (средние значения шкалы Nt Д.Н. Цыганова увеличились на 0,33 балла, шкалы N Х. Элленберга – на 0,51 балла);

увеличение солевого богатства (средние значения шкалы S Х. Элленберга в 2,0 раза).

Имеет место также увеличение кислотность почвогрунтов (снижение рН): значения шкалы кислотно-щелочных условий Rc Д.Н. Цыганова снижаются на 0,82 балла, шкалы кислотно-щелочных условий R Х. Элленберга –  на 1,26 балла.

На рисунке изменения влажности, азотного богатства и рН по шкалам Д.Н. Цыганова.

            Далее на рисунке изменения влажности, азотного богатства и рН по шкалам Х. Элленберга.

Таким образом, результаты, полученные на основе выполненных исследований, показывают, что  индикаторами подтопления и связанного с ним загрязнения почвогрунтов могут служить следующие показатели луговой растительности: общее проективное покрытие, видовое богатство, изменения покрытия и встречаемости отдельных видов, чувствительных к загрязнению, видовой состав. Фитоиндикационный метод обладает такими свойствами, как простота и эффективность. Он позволяет получить информацию об экологическом состоянии геосистем без длительных и трудоемких исследований, с минимумом затрат, поэтому может быть рекомендован для решения задач мониторинга окружающей среды.

Подробнее в публикациях:

Гусев А.П. Фитоиндикаторы техногенного подтопления в зоне влияния полигона промышленных отходов // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Геология. – 2015. – №1. – С. 129-132.