Деградационно-восстановительная динамика лесных фитоценозов после нефтяного загрязнения

Деградационно-восстановительная динамика лесных фитоценозов после нефтяного загрязнения

Чижов Б. Е., Захаров А. И., Гаркунов Г. А.

По чрезвычайным техногенным ситуациям, связанным с выбросами нефти и нефтепродуктов, Тюменская область лидирует не только в России, но и в мире. Ежегодные объемы аварийно разливаемой нефти составляют от 50 до 70 тыс. т, а общая площадь замазученных земель в 1996 г. ориентировочно оценивалась в 50 тыс. га. В ближайшие годы она может удвоиться в связи со старением и переходом в аварийное состояние более 8000 км трубопроводов. Если в 80-е годы в Ханты-Мансийском автономном округе ежегодно фиксировалось 150-250 аварий, то в 1995-1997 гг. их количество увеличилось более чем в десять раз и составляло 2300-3200 случаев в год.

Объект и методы

Исследования выполнены в подзонах северной и средней тайги Западной Сибири на территории Нефтеюганского, Сургутского и Нижневартовского районов Тюменской области. Они включали: изучение особенностей распределения нефти по генетическим горизонтам почв, определение концентраций свежей нефти и остаточных нефтепродуктов опасных для основных компонентов лесных фитоценозов, исследование деградационно-восстановительной динамики древостоев и живого напочвенного покрова. Применялись стационарный и статистический методы исследования. Дозированное загрязнение обессоленной и обезвоженной товарной нефтью выполнено в 1985-86 гг. в трех наиболее распространенных типах леса - сосняках брусничном и кустарничково-черничном, кедровнике кислично-черничном, представленных спелыми и приспевающими насаждениями. Почвы опытных участков соответственно песчаные, супесчаные и легкосуглинистые. Учет состояния древостоя и живого напочвенного покрова водился до загрязнения в конце первого, на 4 и 9 годы после разлива нефти.

Категории состояния деревьев определялись глазомерно по общепринятой методике /I/. По кернам измерялись радиальные приросты древесины. Отпад деревьев определялся в процентах от общего запаса насаждения, сплошным пересчетом деревьев.

Результаты и обсуждение

Дозированное загрязнение товарной нефтью

Хорошая проницаемость дренированных песчаных и супесчаных почв обусловила глубокое проникновение загрязнителя в почву и материнские породы. Начиная с доз загрязнения 50 л/м2 следы нефти обнаруживаются на глубине 100 и более сантиметров, при дозах 10-20 л/м2 глубины проникновения нефти в почву составляют 10-30 см. При дозах 1,5 л/м2 и менее загрязнитель в основном перехватывается торфянистым горизонтом и лесной подстилкой.

Рис.1 Остаточное количество нефти (%) в песчаных и супесчаных почвах на 2-5 год после дозированного внесения в л/м2

Попадая в почву, нефть претерпевает количественные и качественные изменения в результате испарения, вымывания, ультрафиолетового разложения и микробиологического окисления. На участках дозированного загрязнения по прошествию двух лет остаточные массы загрязнителя составляли в среднем 38, трех - 30 и четырех - 24 % от внесенного количества (рис.1).

Таблица 1.

Содержание остаточных нефтепродуктов в почвенных горизонтах через 3 года после дозированного загрязнения

Глубина взятия образцов	Содержание нефтепродуктов, кг/м2 при начальном загрязнении, л/м2
10	20	50	100
Сосняк брусничный
Лесная подстилка (3 см)	0,3	0,3	0,3	0,3
3 - 10 см	1,4	3,4	4,3	4,8
11 - 20 см	-	1,6	4,3	4,6
21 см и более	-	0,1	5,2	10,9
Всего	1,7	5,4	14,1	20,6
Сосняк кустарничково-черничный
Лесная подстилка (5 см)	0,5	0,5	0,5	0,5
5 - 15 см	0,8	2,7	3,8	5,1
16 - 25 см	-	2,1	3,4	4,6
26 см и более	-	1,6	6,6	14,9
Всего	1,3	6,9	14,3	25,1
Кедровник кисличио-черничный
Торфянистый (10 см)	1	1	0,9	1,3
10 - 20 см	2,4	5	7,3	5,3
21 - 30 см	0,2	1,3	2,2	2,1
31 и более	0,1	0,6	1,9	3,1
Всего	3,7	7,9	12,3	11,8

Снижение уровня загрязнения почв нефтью тесно связано с изменением ее фракционного состава. В течение первого года практически полностью испарились и вымылись фракции нефти с температурой кипения ниже 200о С. На разливах 10-летней давности в составе остаточной нефти абсолютно преобладали асфальтены и смолы (С17 и более) с температурой кипения выше 300о С (табл. 2). Как показали лабораторные опыты, они малотоксичны для растений, но при относительно высоких концентрациях способны существенно повлиять на свойства почв: изменить ее гидрофобность, затруднить капилярный подъем влаги, затормозить процессы минерализации органогенных остатков.

Таблица 2

Фракционный состав остаточных нефтепродуктов в песчаных и супесчаных почвах, %

Длина углеродной цепи	Температура кипения,°С	Свежая нефть	Годы после разлива нефти
2	3	10
Менее С11	Менее 200	71	-	-	-
С12-С14	200 - 250	11	4	-	-
С15 – C16	250 - 300	8	23	10	-
Более C17	Более 300	10	73	90	100
Примечание: во второй год образцы отбирались из лесной подстилки, в остальные годы - из минеральных слоев почвы с глубины 0-10 см

Живой напочвенный покров

Нефть, обладая контактным гербицидным действием, повредила только те части растений, которые замазучены. Отмирание многолетников происходит после загрязнения корневищ, от которых они ежегодно возобновляются. Сохранение живого напочвенного покрова определяется глубиной проникновения нефти и глубиной размещения в почве органов вегетативного размножения растений.

На секциях, где нефть была внесена разбрызгиванием в дозе 1,5 л/м2, лесная подстилка и мохово-лишайниковый покров загрязнились на глубину 1,8±0,14 см. Это вызвало резкое сокращение обилия только лишайников и всходов сосны, кедра. Кустарнички и травы быстро восстановили временно усохшие надземные органы.

При полном замазучивании лесной подстилки (5 л/м2) в сосняках зеленомошно-брусничном и кустарничково-черничном наряду с мхами и лишайниками сильно изрежены брусника и черника. Встречаемость их остается достаточно высокой, чтобы популяции обоих видов восстановились в ближайшие 10-20 лет. Осока шаровидная и хвощи, у которых корневища находятся в минеральном горизонте, оправились от повреждений на второй год. Через три года проективное покрытие почвы осокой в полтора раза превышало исходное.

При дозах 10 и 20 л/м2 нефть проникла в почву соответственно на глубину 11-16 и 18-20 см. В загрязненных горизонтах оказались не только органы вегетативного возобновления, но и корневые системы трав и кустарничков. Все компоненты живого напочвенного покрова характеризуются сильным и длительным угнетением. В качестве микрорефугимов, обеспечивающих сохранение отдельных особей, выступают покрытые подстилкой и мхами полуразложившиеся стволы деревьев. Нефть, обтекая трухлявую древесину, почти не проникает внутрь стволов. Поэтому корневища и корневые системы брусники, черники, багульника, освоившие валеж в качестве субстрата, сохраняются жизнеспособными.

Рис. 2. Деградационно-восстановительная динамика проективного покрытия живого напочвенного покрова в % к исходному обилию при различных дозах загрязнения (л/м2)

Суглинистые почвы менее проницаемы для нефти, поэтому при дозах менее 20 л/м2 сохранность и темпы восстановления живого напочвенного покрова на суглинке выше, чем на песчаной почве сосняка брусничного. При дозах 50-100 л/м2 различия несущественные, поскольку травяно-моховой покров отмирает в обоих случаях более чем на 98 %.

За девятилетний период не отмечено восстановление на загрязненных участках зеленых мхов и лишайников. Замазучивание лесной подстилки исключало возвращение их на исходное место. Крайне медленно восстанавливаются кустарнички: брусника, черника, багульник. Даже на делянках с минимальными дозами (1,5 - 5 л/м2) они не достигли в течение 9 лет исходного обилия (рис. 2).

Скорость восстановления травяного покрова определялась видовым составом, сохранностью после нефтяного воздействия и уровнем остаточного загрязнения почвы. На делянках с дозами 10 и 20 л/м2, где остаточное загрязнение составляло соответственно 3,7 и 7,9 кг/м2, даже достаточно устойчивые к нефти осока шаровидная и хвощи не достигли за 9 лет исходного обилия. Делянки с более высокими дозами оставались мертвопокровньми.

Древостой

Наибольшее угнетение деревьев отмечено в сосняке брусничном, где увеличение гидрофобности песчаных почв усугубило и | без того напряженный дефицит влаги. Изменение состояния деревьев, выразившееся в посветлении молодой хвои, более раннем опадении старой хвои, уменьшении прироста ветвей, уменьшении размеров листьев березы, впервые стало заметным на второй год на секциях с дозами более 10 л/м2, а в сосняке кустарничково-черничном - на секциях с дозами 50 и 100 л/м2. На третий год эти деревья перешли в категорию сильно ослабленных: крона ажурная, прирост по диаметру сократился, хвоя повреждена на 30-60 %. На секциях с дозами 10-20 л/м2 изменения в состоянии древостоя стали заметными только на четвертый год.

Таблица 3

Динамика состояния древостоев сосняка брусничного (Сбр.) и сосняка кустарничково-черничного (Скч.) после загрязнения товарной нефтью

Показатели	Годы наблюдений	Исходные дозы загрязнения, л/м2, типы леса
5	10 - 20	50 - 100
Сбр	Скч	Сбр	Скч	Сбр	Скч
Категории состояния древостоя	До загр.	1,8	2,2	2,2	2,2	1,8	2,1
4	2,1	2,6	2,7	3,1	3,6	3,5
9	2	3,4	2,8	3,8	4	4,3
Отпад деревьев в % от общего количества	4	0	4	1	5	21	23
9	0	18	6	21	41	43

В первые годы после загрязнения уменьшение радиального прироста деревьев отмечено только в кедровнике кислично-черничном. В последующие годы снижение приростов на секциях с дозами 50 и 100 л/м2 приняло катастрофический характер во всех типах леса и происходило на фоне массового усыхаю деревьев. Существенно снизилась продуктивность древостоев в секциях с дозами загрязнения 20 л/м2. Резкое снижение величин радиальных приростов происходило в первые три года, после чего наметилась некоторая стабилизация процесса (Рис. 3)

Рис. 3. Радиальный прирост деревьев при различных дозах загрязнения, в % к контролю

Подрост

В результате попадания нефти на ассимиляционный аппарат подпологовый подрост хвойных и лиственных пород практически полностью погиб даже при минимальных (1-1,5 л/м2) дозах загрязнения. Процесс деградации подпологового подроста продолжался 1-2 года.

Начиная со второго-третьего года на секциях с дозами 20 л/м2 ежегодно появлялись всходы сосны и кедра, которые в дальнейшем погибали. На 3 год количество одно-двухлетних всходов сосны и кедра составляло 0,6-1,3 тыс./га на секциях с концентрацией нефти в лесной подстилке 13-17 % и 0,2 тыс./га - при концентрации нефти 22 %. Однако на четвертый (1989) год в условиях сильной засухи они отмерли более чем на 80 %. Из-за неблагоприятных агрофизических свойств замазученной почвы рост всходов был очень замедленный даже там, где они приурочены к минерализованным, с удаленным АО, пятнам почвы; продолжался их отпад. На 9 год состояние ранее сохранившегося подроста и самосева стабилизировалось, учтено большое количество новых всходов (табл.4), но вероятность их сохранения неясна.

Таблица 4

Количество сохранившегося самосева древесных пород по учету на девятый год, тыс.шт

Тип леса	Годы появления всходов после загрязнения	Сосна	Кедр
Сосняк брусничный	2-4	0	0
5-7	0,7	0,4
8-9	3,4	0,5
Всего	4,1	0,9
Сосняк кустарничково-черничный	2-4	0	0,2
5-7	2,4	1,6
8-9	5,1	0,1
Всего	7,5	1,9

Участки аварийных разливов нефти

Деградация лесных фитоценозов происходит как от прямого воздействия нефти на подземные органы растений, так и от косвенного ее влияния на почвенные условия: увеличение гид-рофобности песчаных почв, усугубление анаэробных условий в суглинистых и торфяных почвах. Отрицательный эффект усиливается тем, что нефтяному загрязнению в большинстве случаев сопутствует солевое из-за обводненности нефти минерализованными водами. При обваловке разлива участок оказывается еще и переувлажненным. Отрицательному воздействию подвергаются все компоненты фитоценоза, но наиболее чувствительным является живой напочвенный покров.

По снижению устойчивости к нефтяному загрязнению лесные растения образуют следующий ряд: вейники ланцетный и пурпурный, осока шаровидная, канареечник тростниковидный, хвощ лесной, багульник болотный, вейник наземный, брусника, кипрей болотный, плеврозий Шребера, иван-чай, седмичник европейский, княженика, морошка, линнея северная.

Из болотных растений высокоустойчивы: рогоз, осоки острая, речная и сероватая, тростник обыкновенный, в меньшей мере пушица влагалищная и многоцветковая, сфагнумы.

Не все фитоценозы, загрязненные нефтью, обречены на полную гибель. При слабом загрязнении, когда остаточное количество нефтепродуктов на разливах давностью более 2 лет составляет менее 4-5 кг/м2, почвы способны самоочищаться, фитоценозы самовосстанавливаться. В живом напочвенном покрове наиболее быстро восстанавливаются травы. В качестве пионерных видов на старых разливав встречаются рогоз, ситник лягушачий, осоки, частуха, ситняг t канареечник, вейники, кипрей болотный, иван-чай, пушица. Достижение травянистой растительностью исходного обилия при слабом загрязнении происходит за 3-5 лет, при среднем - течение 5-15 лет. Для восстановления на сильно загрязненных участках брусники, черники и других ценных кустарничков потребуются десятки и сотни лет, нередко наблюдается полное их исчезновение. По сравнению с древостоем и подростом живой напочвенный покров более тонко реагирует на загрязнение и может использоваться в качестве фитоиндикатора при определении лесо-пригодности замазученных участков до и после рекультивации.

Деградационные изменения древостоя на аварийных разливах обычно заканчиваются в течение 2-3 лет. Отмирание деревьев ускоряется, если нефтяному загрязнению сопутствует солевое. Признаком засоления является угнетение и усыхание деревьев в пограничной полосе за пределами замазученной зоны, пожелтение кончиков хвои и листьев.

В случаях, когда на умеренное нефтяное загрязнение накладывается подтопление, процесс разрушения древостоев может продолжаться до 8-12 лет, до наступления влажных лет, когда ослабленные деревья погибнут от вымочки (табл. 5).

Таблица 5

Отпад деревьев на участках аварийных разливов нефти на 8-12 год после аварии

Объект наблюдений	Опад в % от общего запаса деревьев различных пород
Сосна	Ель	Кедр	Пихта	Береза
Разливы нефти	21	4	26	43	20
Контроль	7	1	5	17	0

Деревья разных пород проявляют различную устойчивость к нефтяному загрязнению. Хвойные в целом менее устойчивы, чем лиственные, но различия между ними достоверны только в диапазоне концентраций средней степени загрязнения. На участках со слабым загрязнением и при сильном замазучивании адичия сглаживаются.

В разреженных древостоях происходит изменение экологической обстановки: меняются условия освещения и тепловой режим сообщества, снижается сопротивляемость ветровалу, болезням и вредителям. Такие древостои могут стать очагами распространения вредителей на прилегающие территории. Сопутствующие нефтяному загрязнению засоление и подтопление резко снижают связь между состоянием древостоя и концентрацией в почве нефтепродуктов (коэффициенты корреляции 0,16-0,1) и не позволяют в большинстве случаев сделать достоверный прогноз будущего состояния древостоя сразу после разлива нефти. Необходимость санитарных рубок более надежно можно определить по результатам повторных обследований состояния насаждения на второй-четвертый год после загрязнения.

С увеличением загрязнения почвы нефтью снижается количество благонадежного подроста и текущий прирост его в высоту. Связь этих показателей с содержанием нефтепродуктов в лесной подстилке "умеренно-значительная", коэффициенты корреляции равны 0,50-0,55.

Двадцатипроцентное повреждение подроста кедра теоретически приходится на 15-процентную концентрацию нефти в лесной подстилке, у сосны - на 30 %. Однако высокая (70 % и более) сохранность подроста сосны наблюдается даже при содержании нефти в лесной подстилке 40-55 % / 2 /. Некоторые нефтезагрязненные участки и их периферийные части имеют достаточное количество благонадежного подроста для сформирования древостоя - 4-6 тыс. шт./га. Это обусловлено тем, что типы леса, подвергающиеся загрязнению при аварийных разливах нефти, обычно имеют выраженный микрорельеф. Подрост приурочен к микроповышениям, а нефть растекается по микропонижениям.

Свежая нефть высоко токсична для всходов древесных пород (рис. 4). Предельно допустимые концентрации сырой нефти в песчаном субстрате лежат в пределах 1-2 %. По снижению устойчивости проростков древесные растения образуют следующий ряд: береза бородавчатая, кедр сибирский, сосна обыкновенная, ель сибирская, пихта сибирская, лиственница Сукачева и сибирская.

Рис. 4. Количество проростков сосны, сформировавших семядоли в зависимости от концентрации нефти в песчаном субстрате (в % к контролю).

Наибольшей токсичностью обладают фракции нефти с температурой кипения 150 - 250о С. Поскольку со временем содержание этих фракций в нефтезагрязненных почвах уменьшается, фитотоксичность остаточного нефтепродукта ниже, чем сырой нефти. Отрицательное воздействие остаточного нефтепродукта заключается преимущественно в ухудшении им агрофизических свойств почв: увеличение гидрофобности песчаных почв, ухудшение воздухообмена в суглинистых и торфянистых почвах.

Возобновление древесных пород начинается по мере испарения и биодеградации в поверхностных слоях почвы легких, токсичных для растений фракций нефти. на аварийных разливах единичные всходы сосны, кедра и всходы березы на лесной подстилке с содержанием нефти 20-40% появляются на 2 - 3 год после загрязнения. Обильные всходы сосны и кедра отмечены на 4 - 7 год. Начиная с 4 года, они встречаются на сильно загрязненных участках (табл. 6). Массовые всходы приурочены к влажным годам. Появлению их способствует минерализация почвы.

Таблица 6

Семенное возобновление древесных пород на старых аварийных разливах нефти

Давность загрязнения, лет	Содержание остаточных нефтепродук тов в Ао	Количество всходов, тыс.шт/га
Сосна	Ель	Кедр	Береза
6	10,6	4,4	0,8	0,4	5-500
7	8,6	2,4	4	1,2	5 - 500

Массовое появление всходов, показывая снижение фитотоксичности остаточного нефтепродукта, не гарантирует успешное лесовосстановление. Из-за неблагоприятных агрофизических свойств замазученной почвы рост всходов очень замедленный, наблюдается большой их отпад. Единичный надежный подрост встречен только у березы и осины. Более 90 % разливов требуют рекультивации, направленной на снижение в почве остаточных нефтепродуктов и создание субстрата, пригодного для прорастания семян, укоренения и выживания всходов древесных и травянистых растений.

Выводы

1. В результате испарения, вымывания, ультрафиолетового разложения и микробиологического окисления за два первых года количество нефти в почве сокращается более чем вдвое. Через пять лет остаточный нефтепродукт составляет 25-30 % от Попавшей в почву нефти. Из состава загрязнителя за 2-3 года исчезают легкие, наиболее токсичные фракции.

2. Наиболее чувствительны к нефти мхи и лишайники. Более устойчивы многолетние травянистые растения. Кустарнички (багульник, брусника, черника) занимают по устойчивости промежуточное положение.

3. Первые признаки воздействия через почву нефти на крупный подрост, подлесок и древостой появляются через год после загрязнения почв. Последующий отпад подроста и подлеска при дозах загрязнения 20 л/м2 и более длится 2-3 года, после чего положение стабилизируется, отпад древостоя затягивается на 10 и более лет. Сопутствующее солевое загрязнение укорачивает деградационные процессы лесных фитоценозов до 2-3 лет.

4. Многофакторная обусловленность состояния лесных фитоценозов на аварийных разливах нефти чрезвычайно затрудняет прогноз их состояния сразу после загрязнения. Необходимость санитарных рубок и рекультивационных работ следует уточнять по результатам повторных обследований на 2-4 год после загрязнения.

5. На разливах давностью более 3 лет остаточное загрязнение из асфальтенов и смол может допускать появление всходов древесных и травянистых растений, но при уровне загрязнения более 10 кг/м2 сильно ухудшаются агрофизические свойства почв, В этих случаях восстановление исходных фитоценозов растягивается на десятки и даже сотни лет. Поэтому более 90 % разливов нефти требуют интенсивной рекультивации.

Список литературы

Санитарные правила в лесах Российской Федерации. Утв. Приказом Председателя Комитета по лесу от 18 мая 1992 г., № 90.

Соромотин А.В., Гашев С.Н., Гашева М.Н., Быкова Е.А. Влияние нефтяного загрязнения на лесные биогеоценозы // Материалы I Всесоюз. Конф. "Экология нефтегазового комплекса". Вып. I. Ч. 2. М., 1989. С. 180-191.