Оценка воздействия горнорудного производства на природно-территориальные комплексы Башкирского Зауралья методами биоиндикации

Актуальность проблемы. Территория Башкирского Зауралья (Южный Урал) представляет собой разнообразную в ландшафтно-геохимическом отношении систему. Ее особенность заключается в формировании естественных геохимических аномалий, обусловленных геологическими факторами (Виноградов, 1963; Перельман, 1975; Ковальский и др. 1981; Глазовская, 1988; Ковалевский, 1989; Добровольский, 2003; Максимович, Хайрулина, 2011 и др.). Разработка и эксплуатация полиметаллических и медноколчеданных месторождений на протяжении многих лет привела к образованию техногенных провинций, которые выделяются на фоне современного геохимического состояния биосферы. Одними из крупных горнорудных предприятий в данном регионе являются Сибайский филиал Учалинского ГОК (СФ УГОК), ООО «Башкирская медь» и Семёновская золотоизвлекающая фабрика, которые оказывают значительное влияние на окружающую среду, проявляющееся как в загрязнении окружающей среды различными поллютантами, так и изменении рельефа территорий, видового состава растительности, истощением почвенного покрова и пр. В связи с этим, наиболее актуальными в данном регионе становятся исследования антропогенного прессинга на окружающую среду. Большое значение приобретает корректная геоэкологическая оценка трансформации природных комплексов под влиянием горнорудных предприятий, которую наиболее адекватно может дать комплекс методов биоиндикации. Биоиндикационные исследования позволяют определить степень нарушенности природно-территориальных комплексов (ПТК) и их изменение под воздействием антропогенного и техногенного загрязнений. При этом, с учетом того, что для территории исследования характерно развитие естественных геохимических аномалий, обусловленных геологическим строением, в данных условиях крайне сложно выделить антропогенную составляющую формирования химического состава растений. Единственным способом является сравнительный анализ ситуации в различные временные и пространственные отрезки. Наиболее значимым при оценке состояния окружающей среды принято считать загрязнение тяжелыми металлами (ТМ), уровень содержания которых в компонентах природной среды необходимо контролировать при геоэкологическом мониторинге (Башкин, Касимов, 2004; Рудский, 2013; Ермаков, 2015 и др.). Для оценки трансформации ПТК наиболее показательным и быстро реагирующим на изменение природных факторов окружающей среды и антропогенное воздействие является растительный покров. Ведущими при определении характера растительности в конкретных условиях окружающей среды являются физико-химические особенности почв. На этом основании данные компоненты ландшафта использовались в качестве индикаторов изменения экологического состояния региона. Особенности миграции и концентрации химических элементов в компонентах природных ландшафтов Южного Урала детально изучались многими научными коллективами (Глазовская, 1963; Скарлыгина-Уфимцева, 1976; Ковальский и др., 1981; Опекунова, 1987, 2002, 2003, 2013; Алексеева-Попова 1991; Мовчан и др., 1998; Алексеева-Попова, 1998; Шагиева, 2002; Глазовская, 2007; Янтурин и др., 2009; Баимова, 2009; Сингизова, 2009; Семёнова, и др. 2011; Зулкарнаев, 2012; Суюндуков и др. 2013; и др.).В 1978–1983 гг. биогеохимической лабораторией ГЕОХИ им. В. И. Вернадского совместно с Ленинградским государственным университетом в Южно-Уральском субрегионе биосферы (Баймакский и Хайбуллинский районы Республики Башкортостан, Орский и Гайский районы Оренбургской области) проводились комплексные биогеохимические исследования, результаты которых позволяют провести сравнение и анализ изменения экологической обстановки за истекшие 35 лет.
Исходя из вышесказанного цель данной работы заключается в определении наиболее информативных биоиндикационных показателей для оценки антропогенного изменения ПТК в зоне воздействия горнорудных предприятий.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1) выявление основных факторов, обусловливающих трансформацию ПТК в зоне техногенного воздействия, на различном удалении от предприятий горнорудного производства; 2) изучение химического состава почв и растений в фоновых условиях естественных геохимических аномалий и на антропогенно загрязненных участках по мере приближения к объектам горнорудного производства; 3) выявление видов растений — индикаторов антропогенного и техногенного нарушений ПТК в зоне воздействия горнорудных предприятий; 4) определение значимости морфологических признаков растений при оценке техногенного загрязнения ПТК; 5) изучение видового состава и структуры растительных сообществ и их изменения в условиях антропогенного воздействия на ПТК методом корреляционных плеяд.
Фактический материал. Данная работа основывается на материалах, собранных в течение полевых сезонов 1998–2015гг. на территории Баймакского района и в окрестностях г. Сибай (Республика Башкортостан) сотрудниками и студентами кафедры геоэкологии и природопользования факультета географии и геоэкологии (ныне Институт наук о Земле) СПбГУ при личном участии автора. В работе использованы анализы более 2300 проб почв и растений, материалы 410 геоботанических описаний, включающих 300 видов растений. Для сравнительной оценки изменения природных комплексов под влиянием нарастающей антропогенной нагрузки были использованы результаты исследований 1978–1983 гг., полученные Биогеохимической лабораторией ГЕОХИ им. В.И. Вернадского совместно с Ленинградским государственным университетом на территории Башкирского Зауралья.
Научная новизна работы. Впервые была проведена сравнительная оценка индикаторной значимости различных биологических параметров и обоснован комплекс наиболее информативных характеристик для определения трансформации ПТК под влиянием горнорудного производства. На основе сопряженного исследования состояния растительного и почвенного покровов с применением методов биоиндикации дана комплексная оценка изменения природных комплексов под влиянием антропогенной нагрузки в Башкирском Зауралье. Сравнительный анализ результатов исследований в течение ряда лет (1978– 1983 гг. и 1998–2015 гг.) позволил выявить основные направления трансформации природных комплексов в зоне воздействия горнорудных предприятий. С помощью метода дендритов показано изменение корреляционных связей между видами в фитоценозе.
Практическая значимость. На основе результатов многолетних исследований предложен комплекс биоиндикаторов состояния природных комплексов в зоне воздействия предприятий горнодобывающей промышленности, который может быть использован при проведении геоэкологического мониторинга состояния окружающей среды в данном районе. Результаты ландшафтно-геохимических и геоэкологических исследований с применением методов биоиндикации переданы в Сибайское территориальное управление охраны окружающей среды Республики Башкортостан. Даны рекомендации по оптимизации размещения некоторых производственных объектов, рациональному водопользованию и перепрофилированию агропроизводства.
Основные защищаемые положения. 1. Показателями техногенного загрязнения ПТК при разработке медноколчеданных руд на территории Башкирского Зауралья является изменение химического состава полыни австрийской Artemisia austriaca Jacq. (концентратор Cu, Zn, Pb, Cd), шалфея степного Salvia stepposa Shost. (концентратор Cu, Zn и Fe) и чабреца Маршалла Thymus marschallianus Willd. (концентратор Zn, Pb и Fe). Химический состав растений исследованной территории, соотношение валового содержания и подвижных форм ТМ в почвах позволяют проследить нарастание антропогенного воздействия на ПТК. 2. По результатам факторного анализа основными факторами, влияющими на экологическое состояние степных ПТК Башкирского Зауралья в условиях естественных геохимических аномалий, наряду с удаленностью от источников загрязнения и интенсивностью антропогенного воздействия являются положение в элементарном геохимическом ландшафте, гидрометеорологические условия, а также зональность вторичных ореолов рассеяния. 3. Морфологическая изменчивость видов растений, широко распространенная как на фоновых, так и на антропогенно нарушенных территориях, может быть использована в качестве показателя техногенного загрязнения ПТК только в совокупности с биогеохимическими критериями. 4. Рост техногенного загрязнения привел к изменению корреляционной структуры растительных сообществ с подчинением ковыльных степей типчаковой формации, распространению растительности нарушенных местообитаний на горные вершины и склоны и широкому участию видов — концентраторов ТМ в составе вторичных сукцессий.
Личный вклад автора. Работы по оценке экологического состояния территорий Южного Урала проводились в 2002–2005 гг. и 2013–2015 гг. Они выполнены при поддержке проектов ФЦП «Интеграция» № 326.69 «Поддержка и развитие Учебно-научного центра “Современные методы оценки экологического состояния окружающей среды” на базе СПбГУ и Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН» (1997–2001 гг.), № Б0038 “Современные методы оценки экологического состояния окружающей среды” на базе СПбГУ и Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН» (2002–2004 гг.), проекта СО.125 «Поддержка полевой практики по геоэкологии “Оценка экологического риска в районах разработки рудных месторождений”», программы «Университеты России – фундаментальные исследования» УР.08.01.024 «Биогеохимическая оценка экологического состояния окружающей человека среды в природно-техногенных аномалиях». Автор принимал участие в полевых исследованиях, выполняемых кафедрой геоэкологии и природопользования Института наук о Земле на Южном Урале. Самостоятельно или под руководством научного руководителя проведены отбор проб, геоботаническое описание, подготовка и химический анализ проб почв и растений, выполнена экспериментальная, камеральная и математическая обработка материалов с применением ГИС-технологий, сформулированы основные результаты работы.
Структура и объем работы. Работа общим объёмом 150 страниц состоит из 6 глав, введения и заключения, 9 приложений, содержит 55 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 220 источников.