Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 5, стр. 61-72
ВЛИЯНИЕ НАВОДНЕНИЯ 2019 г. НА АБИОТИЧЕСКУЮ И БИОТИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ПОЧВ ПОЙМЫ р. АМУР
Л. А. Гаретова 1, *, Г. В. Харитонова 1, Е. Л. Имранова 1, Н. К. Фишер 1, О. А. Кириенко 1
1 Институт водных и экологических проблем ДВО РАН
680000 Хабаровск, ул. Дикопольцева, 56, Россия
* E-mail: micro@ivep.as.khb.ru
Поступила в редакцию 18.07.2022
После доработки 22.07.2022
Принята к публикации 02.08.2022
- EDN: URJSIQ
- DOI: 10.31857/S0869780922050046
Аннотация
Приведены данные по физико-химическим характеристикам, гранулометрическому и пигментному составу, структуре микробных сообществ донных отложений и почв зоны наводнения в пойме р. Красная речка (малый приток р. Амур). Наиболее существенное перераспределение фракций в гранулометрическом составе донных отложений и почв после схода воды выявлено в зоне смешения вод Амурской протоки и малого притока: содержание фракции 10–50 мкм в осадках увеличилось до 59.8, в почве до 56.1%. Увеличение доли мелкой фракции в составе почвы сопровождалось увеличением содержания Сорг, а в донных отложениях – возрастанием количества углеводородов, по сравнению с периодом до наводнения. Переувлажнение почвы после паводка сопровождалось 2–5 кратным увеличением концентраций фитопигментов. Изменение структуры микробных сообществ донных осадков и почв обусловлено синергическим воздействием наводнения и загрязнения сточными водами. По сравнению с допаводковым периодом численность гетеротрофных бактерий в донных отложениях увеличивалась от 17 до 90 раз, в почве до 10 раз. Длительное (около 3 мес.) затопление способствовало созданию восстановительных условий в почвах, результатом чего явились расширение спектра идентифицированных летучих органических соединений и увеличение их содержания до 10 раз.
ВВЕДЕНИЕ
Наводнения являются одними из самых разрушительных природных явлений. В результате действия различных факторов и процессов они происходят на всех континентах земного шара и по прогнозам будут оказывать все большее влияние на изменение климата [1, 19]. Несмотря на то что ежегодно от наводнений страдают тысячи людей, а убытки достигают десятков миллиардов долларов, учету самих наводнений и анализу их последствий внимания уделяется недостаточно. Затопление территорий в зависимости от временного и пространственного характера наводнений может изменить существующий ландшафт, состав и структуру как абиотических, так и биотических его компонентов. Наиболее существенными факторами воздействия наводнений на ландшафты являются глубина затопления и скорость потока.
Амур – одна из крупнейших рек не только на Дальнем Востоке, но и в мире. Длина реки составляет 2824 км, площадь бассейна 1856 тыс. км2. Участок Амура в районе г. Хабаровск характеризуется обилием проток и малых притоков, которые впадают как в основное русло, так и в протоки, крупнейшими из которых являются Амурская и Пензенская. Согласно многолетним наблюдениям, катастрофические паводки в бассейне р. Амур происходят каждые 20–30 лет. Текущее десятилетие выпадает из этой статистики. За последние 8 лет большие наводнения случились в 2013, 2019, 2020 и 2021 г. В результате наводнения 2013 г. уровень Амура у Благовещенска достиг 822 см, у Хабаровска 808 см, в Комсомольске-на-Амуре 910 см, что имело катастрофические последствия. Общий ущерб от наводнения составил 527 млрд руб.
Второе по масштабности после паводков 2013 г. за всю историю гидрологических измерений наводнение 2019 г. имело ряд особенностей. В предпаводочный период на реках Амур и Уссури преобладала пониженная водность. Однако после выпадения интенсивных осадков в июне-июле (100–150%, местами до 300% месячной нормы) на территории Приамурья водность рек значительно повысилась. Во второй декаде августа в результате влияния тропических циклонов с сильными продолжительными дождями (50–90 мм/сут) в бассейнах рек Уссури и Сунгари паводок принял затяжной характер. Уровень воды у г. Хабаровск на 1 сентября превысил отметку уровня 635 см, а в первой декаде сентября на паводковую обстановку повлиял экс-тайфун LINGLING, принесший сильные ливни с интенсивностью 50 мм/сут. Паводок категории опасного явления на р. Амур (максимальный уровень 644 см), который длился около 3 мес., закончился 15 октября. Ущерб от паводка в Хабаровском крае составил около 2 млрд руб.
Во время наводнений качество воды в реках закономерно ухудшается, и это ухудшение тем существеннее, чем сильнее проявления антропогенных нарушений на водосборной территории [7]. Исследование качества воды р. Амур [5] выявило существенное превышение допустимых концентраций тяжелых металлов. Так, нормы свинца были превышены почти в 17 раз. Содержание соединений молибдена, марганца, меди и цинка в воде превышало ПДК от 2 до 8 раз. Кроме этого, с прохождением волны паводка связано и увеличение содержания соединений азота вследствие аварийного сброса неочищенных сточных вод, в том числе в протоку Амурскую. Зафиксированное увеличение химического потребления кислорода связано с попаданием в Амур трудно разлагаемых органических веществ (ОВ), таких как нефтепродукты, масла и жиры.
Для оценки экологического состояния природных территорий и влияния на него природных и антропогенных процессов (наводнений в том числе) большое значение имеют исследования их тонкодисперсных компонентов в пойменных почвах и речных донных отложениях (ДО) [14]. Последние вследствие большой удельной поверхности и особенностей кристаллохимии минералов определяют процессы обмена с внешней средой, основу которых в значительной степени составляет их взаимодействие с водой. Наиболее динамичны эти взаимодействия в зоне современного седиментогенеза (пойменные почвы, наилки, ДО и взвеси рек и озер). Гранулометрический состав почв и ДО – один из основных параметров, характеризующих процессы седиментации и динамику водной среды в период наводнений. Он оказывает влияние на ОВ, физико-механические, окислительно-восстановительные условия, поглотительную способность, структурное состояние почв и ДО [17]. Геохимические исследования наводнений на Амуре в основном касались распределения тяжелых металлов в почвах, воде и донных отложениях [8, 9]. Влияние наводнений на структуру и отклик биотических компонентов ДО и почв на длительное затопление до настоящего времени не исследовалось.
Микроводоросли и микроорганизмы играют важную роль в экосистемных процессах и являются неотъемлемой частью биоценозов ДО и почв. Органическое вещество водорослей отличается легкой усвояемостью и дает высокий энергетический эффект, благодаря чему его используют многие гетеротрофные микроорганизмы. Микробные сообщества быстрее, чем сообщества растений, реагируют на изменение условий окружающей среды [21]. Они управляют биогеохимическими циклами Земли [20], влияя на продуктивность и динамику растительных сообществ [23], а также участвуют в процессах восстановления экосистем при различных видах воздействия. Зачастую текущие угрозы для почвенных сообществ являются следствием различных нарушений, которые действуют синергически. В качестве усугубляющего фактора при наводнениях действует аварийный сброс промышленных и бытовых вод без очистки.
Цель работы – исследование гранулометрического состава, органического вещества и связанных с ними биотических компонентов (фитопигменты, микроорганизмы) в ДО и почвах зоны затопления малого притока р. Амур (р. Красная речка).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Район исследования расположен в южной части г. Хабаровск (рис. 1) на правом берегу Амурской протоки, в период 8.08–15.10.2019 г. он находился в зоне затопления. Район был условно разделен на три участка: верхний участок – зона преимущественного влияния вод р. Красная речка и ее заключенного в коллектор безымянного притока, являющегося приемником сточных вод (1); средний участок – зона смешения вод Амурской протоки и р. Красная речка (2); нижний участок – зона преимущественного влияния вод Амурской протоки (3). Амурская протока является самой крупной в районе Хабаровского водного узла и впадает в основное русло Амура в районе Утеса г. Хабаровск.
Истоки и участки верхнего течения и левых притоков р. Красная речка находятся за пределами городской черты в предгорьях хр. Малый Хехцир, на городской территории речка дренирует аккумулятивные поверхности приамурских террас. Территория представлена промышленными предприятиями и жилыми массивами. Почвы водосбора р. Красная Речка представлены в предгорной части буроземами (слабо- и сильно нарушенными) на суглинисто-щебнистых элювиально-делювиальных отложениях склонов. Поверхность низкой приамурской террасы с комплексом природных буро-отбеленных оглеенных и гидроморфных луговых глеевых почв перекрыта различными техногенными грунтами, на которых сформированы урботехноземы [10].
Пробы ДО и почв отбирали до и после наводнения 1 августа и 18 октября соответственно. Точки отбора проб сверяли по JPS-навигатору. Пробы почв отбирали методом “конверта” на глубину 0–20 см согласно ГОСТу 17.4.4.02-201711. Пробы донных отложений (слой 0–10 см) отбирали пробоотборником “Burkle”. Для гранулометрического анализа высушенные до воздушно-сухого состояния средние пробы ДО и почв измельчали при помощи пестика с резиновым наконечником и просеивали через сито с размером ячеек 2 мм. Распределение частиц в подготовленной пробе изучали методом лазерной дифракции на приборе Shimadzu SALD-2300 (Япония). В водной вытяжке из проб почв и ДО (в соотношении 1 : 5) определяли рН, минерализацию (М) при помощи измерителя комбинированного Seven Multi S-47k, Mettler-Toledo (Швейцария). Содержание органического вещества (ОВ) оценивали по потерям при прокаливании (ППП, Т = +550°С)22.
Определение массовой доли углеводородов (УВ) выполняли по методике ПНД Ф 16.1: 2.2.22–9833. Измерения проводили на концентратомере КН-2М (Сибэкоприбор, Россия). Анализ летучих органических соединений (ЛОС) проводили методом парофазного анализа в сочетании с газовой хроматографией на хроматографе Кристалл-5000.1, детектор пламенно-ионизационный, капиллярная колонка HP FFAP 50 м × 0.32 мм × 0.32 мкм, при температуре от 50 до 20044,55. Идентификация компонентов ЛОС осуществлялась программой Хроматек-аналитик 2.5 версия 2.5.8.0 ЗАО СКБ “Хроматек” 1995–2005. Хроматографические анализы выполняли в ЦКП ИВЭП “Центр экологического мониторинга” (аналитик Г.М. Филиппова).
Фотосинтетические пигменты определяли согласно ГОСТу 17.1.4.02-9066, в вариации применительно к ДО [13] с использованием спектрофотометра Shimadzu UVmini-1240 (Япония). Численность эколого-трофических групп микроорганизмов в почве и ДО определяли общепринятыми в почвенной микробиологии методами [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Физико-химические параметры почв и донных отложений
Отличия в состоянии почвенного покрова территории, подверженной длительному (в течение 3 мес.) затоплению, в первую очередь проявлялись визуально: отмирание растительности и образование наносов в виде песка или наилка. Величина рН почвенной вытяжки за период исследования варьировала незначительно от 6.07 до 6.73, при этом наибольшее изменение данного показателя в кислую сторону отмечено в зоне затопления водами Амурской протоки (т. 3п) (табл. 1).
Таблица 1.
Физико-химические параметры почвы и ДО
| № | Место отбора |
Дата | Описание места отбора | рН | М, мг/л | УВ, мг/г | Сорг, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Почвы | |||||||
| 1п | Правый берег р. Красная реч-ка в районе моста по пер. Краснореченскому | 1.08.19 | Высокая густая трава | 6.31 | 105.7 | 0.56 | 6.62 |
| 18.10.19 | Замытая наилками поверхность, высохшее дно берегового склона | 6.39 | 107.7 | 0.05 | 6.53 | ||
| 2п | Левый берег р. Красная речка в районе моста по ул. П.Л. Мо-розова | 1.08.19 | Высокая густая трава | 6.63 | 97.9 | 0.12 | 5.76 |
| 18.10.19 | Отмершая трава, наилок, 5 см | 6.10 | 80.9 | 0.10 | 8.92 | ||
| 3п | Левый берег затона | 1.08.19 | Высокая густая трава | 6.73 | 40.5 | 0.19 | 5.53 |
| 18.10.19 | Отмершая трава, песок | 6.07 | 51.4 | <0.01 | 1.37 | ||
| Донные отложения | |||||||
| 1д | Ручей без названия, выход из коллектора | 1.08.19 | Серый ил с небольшим количеством рыжей глины на поверхности | 6.30 | 51.8 | <0.01 | 3.57 |
| 18.10.19 | Серый плотный белесый ил с небольшим количеством песка | 6.19 | 65.3 | <0.01 | 3.68 | ||
| 2д | р. Красная Речка в районе моста по ул. П.Л. Морозова | 1.08.19 | Песок с глиной и растительными остатками с небольшим количеством глины | 6.19 | 47.6 | 0.02 | 4.39 |
| 18.10.19 | Жидкий серый ил с небольшим количеством глины и растительных остатков | 6.28 | 65.0 | 0.12 | 5.81 | ||
| 3д | р. Красная Речка, затон | 1.08.19 | Серый ил с глиной, немного растительных остатков | 6.26 | 32.0 | <0.01 | 5.82 |
| 18.10.19 | Серый ил с небольшим количеством камней | 6.34 | 65.8 | 0.13 | 5.47 | ||
Максимальные величины минерализации почвенной вытяжки отмечались в почве верхнего участка русла р. Красная речка (т. 1п), и после затопления она изменилась незначительно. Минимальная минерализация наблюдалась в т. 3п (40.5 мг/л), а после схода воды она несколько увеличилась. Почва среднего участка р. Красная речка (т. 2п) характеризовалась промежуточными показателями минерализации, и после наводнения она снизилась.
Содержание Сорг в почвах варьировало от 1.37 до 8.92%. В почве верхнего участка (т. 1п) существенных изменений Сорг не выявлено. После затопления в грунте среднего участка (т. 2п) количество Сорг увеличилось до 8.92%, что связано с наносом наилка, обладающего значительными запасами ОВ и биогенных элементов [7]. В почве нижнего участка (т. 3п) Сорг уменьшилось в 4 раза, что, вероятно, обусловлено особенностями рельефа и высокой скоростью течения паводковых вод, способствующих вымыванию ОВ и наносу песчаных фракций. Содержание УВ изменялось от <0.01 (граница чувствительности прибора) до максимального значения 0.56 мг/г в почве верхнего участка до затопления, что обусловлено стоком с урбанизированной территории. Последнее более чем в 5 раз превышает установленное фоновое содержание УВ в почвах для урбанизированных территорий 0.1 мг/г [12]. После наводнения за счет их вымывания паводковыми водами количество УВ в почвах снизилось.
Донные отложения ручья без названия (т. 1д) представлены илистыми песками, в основном русле – песчанистыми илами. Величина рН водной вытяжки, также как и в почвах незначительно варьировала в пределах 6.19–6.34. Минерализация отложений до наводнения снижалась по продольному профилю реки с 52 до 32 мг/л. После наводнения за счет стока с территории водосбора общей закономерностью являлось увеличение минерализации ДО и выравнивание ее величин до 65–66 мг/л во всех точках отбора (см. табл. 1).
Содержание Сорг в ДО зависело от типа осадка и колебалось до наводнения в пределах 3.57–5.81% при максимальном значении в илах ст. 3д. Минимальное его количество отмечалось в илистых песках ручья без названия, впадающего в р. Красная речка как до, так и после наводнения. Этот водоток в основном заключен в коллектор и, по сути, является сборником ливневых вод. Существенное увеличение Сорг после паводка отмечалось на среднем участке реки (т. 2д). Вероятно, здесь замедление течения способствовало развитию фитопланктона и, соответственно, обогащению осадков легко окисляемым ОВ. Известно, что органическое вещество в ДО, преимущественно, связано с пелитовой фракцией (менее 10 мкм), что сопоставимо с размером планктонных организмов, участвующих в осадкообразовании [2, 3]. Максимальное содержание УВ в песчанистых илах составляло 0.12–0.13 мг/г (средний и нижний участок, после наводнения), что несколько превышает фоновое для илистых осадков значение – 0.1 мг/г [4, 22] и, вероятно, обусловлено поверхностным стоком с близлежащих заводских территорий и дорог.
Гранулометрический состав
Гранулометрический состав почв после наводнения в результате процессов седиментации наносов наилка и песка претерпел изменения, проявление которых связано с гидрологическими условиями участка опробования. Так, в составе почвы верхнего участка доминировала как до, так и после наводнения фракция 10–50 мкм (табл. 2), составляющая 38 и 44% соответственно. Наиболее существенные изменения гранулометрического состава почвы произошли на среднем участке водосбора (т. 2п), который испытывал влияние смешанных вод Красной речки и протоки Амурская и несомого ими материала. До наводнения в составе почвы доминировали частицы размером 100–250 и 250–500 мкм, в сумме составляющие 65%. После наводнения стали существенно преобладать частицы размером 10–50 мкм, что сопровождалось увеличением содержания Сорг в 1.5 раза по сравнению с допаводковым периодом (см. табл. 1). Такое перераспределение гранулометрического состава обусловлено особенностями седиментации взвешенного материала на данном участке в период наводнения. В почве нижнего участка (т. 3п) после наводнения наблюдались снижение содержания мелких фракций 10–50 и 50–100 мкм и увеличение содержания частиц 250–500 мкм. При этом суммарная доля песчаных частиц размером 100–500 мкм увеличилась после наводнения от 75.8 до 82.8%, что обусловлено более высокой скоростью течения паводковых вод Амурской протоки, в результате чего седиментации подвергались более крупные частицы несомого водой материала.
Таблица 2.
Гранулометрический состав почв и ДО водосбора р. Красная речка (мкм)
| Точка отбора | Дата отбора | <2 | 2–10 | 10–50 | 50–100 | 100–250 | 250–500 | 500–1000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Почва | ||||||||
| 1п | 1.08.19 | 3.4 | 12.6 | 37.8 | 18.1 | 22.7 | 5.3 | 0.0 |
| 18.10.19 | 1.7 | 9.0 | 44.4 | 26.0 | 19.2 | 0.1 | 0.0 | |
| 2п | 1.08.19 | 0.0 | 6.6 | 8.7 | 10.1 | 30.3 | 34.8 | 9.5 |
| 18.10.19 | 2.6 | 15.0 | 56.1 | 16.9 | 9.4 | 0.0 | 0.0 | |
| 3п | 1.08.19 | 0.0 | 0.4 | 3.5 | 8.8 | 30.4 | 45.7 | 11.1 |
| 18.10.19 | 0.0 | 0.2 | 0.0 | 0.6 | 30.8 | 52.0 | 16.4 | |
| Донные отложения | ||||||||
| 1д | 1.08.19 | 6.4 | 27.7 | 45.7 | 11.05 | 9.1 | 0.1 | 0.0 |
| 18.10.19 | 6.5 | 27.6 | 45.9 | 10.7 | 9.0 | 0.3 | 0.0 | |
| 2д | 1.08.19 | 0 | 8.4 | 17.53 | 17.61 | 37.8 | 17.7 | 1.1 |
| 18.10.19 | 2.4 | 13.8 | 59.8 | 15.74 | 8.3 | 0.0 | 0.0 | |
| 3д | 1.08.19 | 4.6 | 22.6 | 55.8 | 13.7 | 3.3 | 0.0 | 0.0 |
| 18.10.19 | 2.8 | 14.6 | 52.6 | 16.4 | 13.2 | 0.5 | 0.0 | |
Динамика гранулометрического состава ДО характеризует не только условия аккумуляции наносов и способность их к переносу водным потоком, но и реальные и возможные процессы накопления тех или иных веществ, поступающих с территории водосбора. Известно, что размер частиц <100 мкм – транзитная составляющая речных наносов [15], а в ДО Амурской протоки преобладающей является фракция алевролитов, максимум которой в дифференциальном распределении частиц соответствует размеру 24–27 мкм [16]. Согласно полученным данным (см. табл. 2), отложения Красной речки до наводнения были представлены главным образом частицами размером 10–50 мкм с высокой долей (до 27.7%) частиц 2–10 мкм и долей частиц 50–100 мкм (до 17.61%). Существенных изменений в гранулометрическом составе ДО верхнего участка (т. 1д) после наводнения не выявлено. Доминирующей фракцией были частицы размером 10–50 мкм. Сходная картина наблюдалась в ДО нижнего участка (т. 3д), где содержание указанной фракции составляло 53–56%. Только в ДО среднего участка (т. 2д) выявлено существенное изменение гранулометрического состава после наводнения. Здесь до наводнения преобладающей фракцией были частицы размером 100–250 мкм (38%), а после наводнения доминирующими в составе ДО стали частицы 10–50 мкм, содержание которых увеличилось в 3.4 раза по сравнению с допаводковым периодом. Данный участок русла Красной речки характеризуется значительным изгибом, что способствует замедлению течения, в результате чего создаются условия для седиментации мелкодисперсного материала. Гранулометрический состав определяет удельную поверхность ДО и, соответственно, влияет на накопление ОВ и процессы его трансформации. Отмечено, что при некотором увеличении содержания ОВ на среднем участке (т. 2д) в ДО в 6 раз увеличилось содержание УВ (см. табл. 1).
Наиболее явно различия в распределении фракций в почвах и ДО среднего участка проявляются в наличии выраженных максимумов на дифференциальных кривых (рис. 2а, б).
Содержание фитопигментов и бактерий
Формирование ОВ определяется многими факторами, в том числе количественным и качественным составом первичных продуцентов. Различные продуценты отличаются по пигментному составу, поэтому для оценки их распределения использовали данные по концентрации отдельных фитопигментов и их суммарному содержанию в почвах и ДО ∑пигм = хл. а + хл. b + хл. c + + каротиноиды.
Содержание фитопигментов в почве существенно варьировало – от 4.06 до 42.71 мкг/г, при максимальном количестве в почве среднего участка (т. 2п) после наводнения и минимальном в почве нижнего участка (т. 3п) до наводнения (табл. 3). Общей тенденцией являлось увеличение суммы пигментов в почве после наводнения, что, вероятнее всего, обусловлено переувлажнением почвы, способствующим развитию микроводорослей. В качественном составе также произошли изменения – если в почве верхнего участка (т. 1п) до затопления в небольшом количестве присутствовали только каротиноиды, то после наводнения в составе пигментов появились хлорофиллы, при этом количество хл. а было сопоставимо с каротиноидами. Широким пигментным составом отличалась почва среднего участка (т. 2п). Здесь после наводнения содержание хл. а увеличилось в 4, а каротиноидов в 2 раза, при преобладании хл. а. При этом отношение хл. а/кар. = 1.03, что указывает на активно функционирующее сообщество микроводорослей в почве, подверженной затоплению.
Таблица 3.
Содержание пигментов в почвах и донных отложениях (мкг/г)
| Образец | Дата отбора проб | хл. а | хл. b | хл. с | кар. | Сумма | хл. а/кар. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Почвы | |||||||
| 1п | 1.08 | – | – | – | 6.85 | 6.85 | – |
| 18.10 | 12.05 | 4.46 | 4.06 | 12.27 | 32.84 | 0.98 | |
| 2п | 1.08 | 4.40 | 2.78 | 3.92 | 9.53 | 20.63 | 0.46 |
| 18.10 | 18.39 | 4.38 | 2.13 | 17.81 | 42.71 | 1.03 | |
| 3п | 1.08 | – | – | – | 4.06 | 4.06 | – |
| 18.10 | 4.57 | – | 4.92 | 8.11 | 17.60 | 0.56 | |
| Донные отложения | |||||||
| 1д | 1.08 | 1.60 | – | 3.11 | 6.81 | 11.52 | 0.23 |
| 18.10 | – | – | – | 4.09 | 4.09 | – | |
| 2д | 1.08 | 5.97 | 2.03 | 3.67 | 12.16 | 23.83 | 0.49 |
| 18.10 | 10.78 | 2.36 | 5.39 | 15.18 | 33.71 | 0.71 | |
| 3д | 1.08 | 4.39 | 2.78 | 3.92 | 10.88 | 21.97 | 0.40 |
| 18.10 | 6.05 | 2.42 | 0.36 | 10.94 | 19.77 | 0.55 | |
В ДО суммарное содержание фитопигментов составляло 4.09–33.71 мкг/г. Максимальное количество было отмечено в ДО на среднем участке (т. 2д), а минимальное – в осадках ручья без названия (т. 1д) после паводка. Общей закономерностью являлось доминирование в составе пигментов каротиноидов – отношение хл. а/кар = = 0.23–0.71, что в равной степени характеризует как угнетенное состояние автохтонного фитобентосного сообщества [13], так и наличие в ДО отмершей биомассы растительности. После паводка содержание хл. а в осадках верхнего участка (т. 1д) снизилось, а на среднем (т. 2д) и нижнем (т. 3д) участках увеличилось, что может быть обусловлено стимулирующим стоком биогенных элементов в период наводнения. Хлорофилл b характерен для наземной растительности, его доля в сумме фитопигментов среднего (т. 2д) и нижнего (т. 3д) участков до и после паводка практически не изменилась и составляла 7.0–8.5 и 12.2–12.7% соответственно. Доля хл. с, доминирующего в составе пигментов диатомовых водорослей, в осадках нижнего участка (т. 3д) после паводка снизилась почти в 10 раз (1.85%). В осадках среднего участка р. Красная речка (т. 2д) доля хл. с в составе фитопигментов практически не изменилась и составляла 15.4–16.0%, что указывает на достаточно активное участие диатомит в продукции ОВ. В целом по описанным признакам существенного влияния паводка на состав фитобентосного сообщества Красной речки не выявлено.
Микробные сообщества участвуют во всем многообразии процессов трансформации ОВ. Они представлены группами микроорганизмов, которые предпочитают те или иные субстраты и/или минеральные компоненты. Подразделение микроорганизмов на соответствующие группы по типам питания достаточно условно, но оно позволяет оценить влияние различных факторов на структуру микробных сообществ. Состав микробного сообщества имеет решающее значение для прогнозирования темпов экосистемных процессов, что, к сожалению, часто игнорируется по сравнению с растительностью [18].
В почвах численность гетеротрофных бактерий (ГБ) варьировала от 12.1 до 103.9 млн КОЕ/г, группы бактерий минерализаторов (М), участвующих на поздних стадиях разложения ОВ, составляла 1.7–36.3 млн КОЕ/г. После затопления прослеживается тенденция к увеличению численности ГБ, бактерий, использующих минеральную форму азота, а также группы микромицетов (рис. 2).
Рис. 3.
Численность микроорганизмов: а – в почвах водосбора р. Красная речка: гетеротрофные бактерии (ГБ) и бактерии-минерализаторы (М) в млн КОЕ/г, микромицеты, тыс. КОЕ/г; б – в донных отложениях р. Красная речка: гетеротрофные бактерии (ГБ), сапрофитные бактерии (СБ), нефтеокисляющие бактерии (НОБ). 1, 2, 3 – до наводнения, 1а, 2а, 3а – после наводнения.
Особенно значимое увеличение численности ГБ (в 8.6 раза) отмечено в почвах верхнего участка, а бактерий минерализаторов в почве среднего и нижнего участков (т. 2п и 3п), где увеличение их численности по сравнению с периодом до затопления составило 14.4–14.5 раза. Численность микромицетов варьировала от 12.34 до 62.35 тыс. КОЕ/г, при максимальном количестве в почве верхнего участка и минимальном в почве нижнего участка после наводнения. Увеличение численности бактерий, вероятно, обусловлено отмиранием растительности в период наводнения, привносом в почву азотсодержащих веществ с паводковыми водами, а также развитием микроводорослей в почве после затопления. Известно, что усиление развития водорослей в почве ведет к увеличению численности многих физиологических групп микроорганизмов [6]. Численность нефтеокисляющих бактерий (НОБ) в почве была достаточно велика и составляла от 1.57 до 19.45 млн КОЕ/г при максимальном содержании в почвах верхнего участка (т. 1п) после наводнения. Их доля в сообществе гетеротрофных бактерий составляла от 4.3 до 85.1% при максимуме в почвенном сообществе верхнего участка до наводнения, что обусловлено близостью автомобильной магистрали. После наводнения доля НОБ снизилась вследствие вымывания УВ из почвы.
Содержание летучих органических соединений
При длительном затоплении почв в них создаются восстановительные условия, в результате чего трансформация углеводородных, углеводных и белковых веществ осуществляется анаэробными бактериями с образованием ЛОС. В их число входят кислородсодержащие органические соединения (спирты, альдегиды, эфиры). Класс опасности для большинства данных соединений не установлен, но они обладают бóльшей токсичностью, чем нефть и исходные ОВ. Особенно это касается продуктов трансформации ароматических соединений, обладающих канцерогенными свойствами.
Результаты анализа ЛОС в нативных почвенных образцах показывают (табл. 4), что после затопления увеличилось их суммарное содержание.
Таблица 4.
Содержание летучих органических соединений в почвах
| Компоненты, мкг/см3 | Т. 1д | Т. 2д | Т. 3д | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.08.19 | 18.10.19 | 1.08.19 | 1.08.19 | 18.10.19 | ||
| Гексан | 0.0050 | 0.0122 | 0.0083 | 0.0458 | – | 0.0057 |
| Этилацетат | 0.0020 | 0.0122 | 0.008 | – | – | 0.0091 |
| Бензол | 0.0005 | – | – | 0.0340 | 0.0007 | 0.0039 |
| Бутанол | – | – | – | 0.0720 | – | – |
| Изобутанол | – | – | – | 0.0636 | – | – |
| Бутилацетат | – | – | 0.0039 | 0.0047 | – | 0.0028 |
| Этилбензол | 0.0005 | – | 0.0006 | 0.0025 | 0.0005 | 0.0006 |
| Толуол | 0.0021 | 0.0239 | 0.0089 | 0.0728 | 0.0071 | 0.0038 |
| Изопропилбензол | 0.0003 | 0.0001 | 0.001 | 0.0006 | 0.0002 | 0.0003 |
| М-ксилол | 0.0008 | 0.0003 | 0.0030 | 0.0037 | 0.0003 | 0.0010 |
| П-ксилол | 0.0003 | – | – | 0.0015 | – | 0.0005 |
| О-ксилол | 0.0027 | 0.0022 | 0.0014 | 0.0049 | 0.0013 | 0.0013 |
| Сумма ЛОС | 0.014 | 0.051 | 0.035 | 0.339 | 0.010 | 0.029 |
В послепаводковый период максимальное (на порядок) увеличение содержания ЛОС выявлено в почве среднего участка (т. 2п). Изменилось и содержание индивидуальных веществ. Так, содержание гексана и толуола, сопутствующих загрязнению нефтепродуктами, увеличилось более чем на порядок. Во всех образцах присутствовали толуол, изопропилбензол, м- и о-ксилол. Самый широкий спектр идентифицированных ЛОС выявлен в почвах среднего участка (т. 2п). Большинство ЛОС обладают характерным резким запахом и высокой токсичностью. Согласно гигиеническим нормативам СанПиН 1.2.3685-2177, эти вещества принадлежат к 1–4 классам опасности.
В ДО содержание ЛОС, в целом, было ниже, чем в почвах, существенных изменений в их количестве до паводка и после его прохождения не выявлено (табл. 5). Во всех образцах присутствовали бензол, толуол, м- и о-ксилол. Наибольшее разнообразие ЛОС выявлено в осадках нижнего участка (ст. 3д) до паводка. По содержанию гексана отличаются осадки среднего участка (т. 2д), где его содержание на порядок превышает количество в других образцах ДО. После паводка здесь снизилось содержание бензола, толуола (более чем на порядок), но увеличилось количество м-ксилола и изопропилбензола.
Таблица 5.
Содержание летучих органических соединений в ДО р. Красная речка
| Компоненты, мкг/см3 | Т. 1д | Т. 2д | Т. 3д | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.08.19 | 18.10.19 | 1.08.19 | 18.10.19 | 1.08.19 | 18.10.19 | |
| Гексан | – | – | 0.0106 | 0.0199 | 0.0019 | 0.0047 |
| Этилацетат | – | – | 0.0075 | – | 0.0038 | 0.0155 |
| Бензол | 0.0001 | 0.0001 | 0.0011 | 0.0005 | 0.0003 | 0.0005 |
| Этилбензол | 0.0002 | – | – | 0.0004 | – | – |
| Толуол | 0.0028 | 0.0002 | 0.0125 | 0.0054 | 0.0008 | 0.0017 |
| М-ксилол | 0.0023 | 0.0001 | 0.0006 | 0.0022 | 0.0002 | 0.0006 |
| П-ксилол | 0.0001 | 0.0003 | – | – | 0.0003 | – |
| О-ксилол | 0.0003 | 0.0002 | 0.0010 | 0.0014 | 0.0007 | 0.0008 |
| Бутанол | – | – | – | – | 0.0022 | – |
| Изопропилбензол | 0.0011 | – | 0.0003 | 0.0012 | 0.0002 | – |
| Сумма ЛОС | 0.007 | 0.003 | 0.034 | 0.031 | 0.010 | 0.024 |
ВЫВОДЫ
После длительного (около 3 мес.) нахождения почв под водой их верхний слой подвергся значительной структурной трансформации: на участке замедленного течения верхний слой почвы пополнился наилком, а на участке с высокой скоростью течения произошло отложение песка.
Наиболее существенное перераспределение фракций в составе затопленных почв и ДО в пользу более мелких (10–50 мкм) выявлено в зоне влияния смешанных вод Амурской протоки и р. Красная речка с замедленным течением, создающем условия для осаждения мелкодисперсного материала. Возрастание доли мелкой фракции в составе почвы сопровождалось увеличением содержания Сорг и углеводородов в донных отложениях по сравнению с допаводковым периодом.
В период наводнения одновременно происходят противоположные процессы: вымывание органических веществ и их аккумуляция в почве и ДО. Напряженность и преобладание того или иного из них зависит от гидрологического режима участка водосбора (уровень и скорость течения воды, период прохождения паводка), а также от количества и качественного состава ОВ в исходных отложениях и водных массах.
В паводок за счет переувлажнения в почвах увеличивается содержание фотосинтетических пигментов, т.е. в балансе ОВ увеличивается роль первичной продукции. Существенного влияния паводка на функционирование фитобентосных сообществ не выявлено. Неравномерность распределения фитопигментов в осадках различных участков обусловлена как сезонными изменениями, так и гранулометрическим составом осадков.
После наводнения, как в почвах, так и ДО, значительно увеличивается численность микроорганизмов, что связано с обогащением данных субстратов отмершим в период затопления растительным материалом и биогенными элементами, поступающими с паводковыми водами.
В процессе затопления в почвах создаются восстановительные условия, способствующие развитию анаэробных микробиологических процессов, в результате увеличивается суммарное содержание летучих органических соединений и их разнообразие.
Авторы выражают благодарность ведущему инженеру Г.М. Филипповой (ЦКП ИВЭП ДВО РАН “Центр экологического мониторинга”) и ведущему научному сотруднику, к.б.н. М.А. Климину (ИВЭП ДВО РАН) за помощь в выполнении анализов, а также научному сотруднику А.М. Кошелькову (ИГД ДВО РАН) за помощь в отборе проб.
Список литературы
Авакян А.Б., Истомина М.Н. Наводнения как глобальная многоаспектная проблема // Вестник РАН. 2002. Т. 72. № 12. С. 1059–1068.
Бреховских В.Ф., Казмирук Т.Н., Казмирук В.Д. Донные отложения Иваньковского водохранилища. М: Наука, 2006. 176 с.
Выхристюк Л.А., Варламова О.Е. Донные отложения и их роль в экосистеме Куйбышевского водохранилища. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. 174 с.
Галимов Э.М., Кодина Л.А., Степанец О.В. Биогеохимия и проблемы радиоактивного загрязнения морей России (на примере Карского моря) // Фундаментальные исследования океанов и морей / Под ред. Н.П. Лаверов. М.: Наука, 2006. Т. 2. С. 440–465.
Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Хабаровского края в 2019 году / Под ред. А.А. Сабитова. Министерство природных ресурсов Хабаровского края, 2020. 268 с. https://mpr.khabkrai.ru/?menu=getfile&id=8149&view=1
Джеффри Ч. Биологическая номенклатура. Пер. с англ. Е.Б. Алексеева / Под ред. М.В. Мины. М.: Мир, 1980. 119 с.
Истомина М.Н., Кочарян А.Г., Лебедева И.П., Никитская К.Е. Экологические последствия наводнений // Инженерная экология. 2004. № 4. С. 3–19.
Махинов А.Н., Лю Шугуан, Махинова А.Ф., Чаомин Даи. Влияние наводнений и урбанизации на содержание тяжелых металлов в воде и донных отложениях реки Амур // Экология и промышленность России. 2020. Т. 24. № 12. С. 32–38.
Махинов А.Н., Махинова А.Ф. Влияние наводнений на геохимические потоки в почвах долины Амура // Успехи современного естествознания. 2017. № 1. С. 58–63.
Нарбут Н.А., Антонова Л.А., Матюшкина Л.А., Климина Е.М., Караванов К.П. Стратегия формирования экологического каркаса городской территории (на примере Хабаровска). Владивосток: Хабаровск: ДВО РАН, 2002. 129 с.
Практикум по микробиологии: Учеб. пос. для студентов ВУЗов / Под ред. А.И. Нетрусова. М.: Изд. центр “Академия”, 2005. 608 с.
Рогозина Е.А. Геохимические изменения в составе нефти при биодеградации // Разведка и охрана недр. 2010. № 4. С. 63–68.
Сигарева Л.Е. Хлорофилл в донных отложениях Волжских водоемов. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2012. 217 с.
Харитонова Г.В., Остроухов А.В., Тюгай З., Крутикова В.О. Лабильные компоненты донных отложений р. Симми (заповедник “Болоньский”) // Вестник Московского ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2020. № 4. С. 27–34.
Чалов Р.С. Русловедение: теория, география и практика. Т. I. Русловые процессы: факторы, механизмы, формы проявления и условия формирования речных русел. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 608 с.
Чижикова Н.П., Сиротский С.Е., Харитонова Г.В., Манучаров А.С. и др. Минералогический и химический состав тонкодисперсной части донных отложений р. Амур // Почвоведение. 2011. № 7. С. 848–860.
Шерышева Н.Г., Ракитина Т.А., Поветкина Л.П. Условия формирования гранулометрического состава иловых отложений на территории национального парка “Самарская лука” // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. Самарская Лука. 2009. Т. 18. № 3. С. 104–113.
Allison S.D., Martiny J.B.H. Resistance, resilience, and redundancy in microbial communities // Proc. of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2008. V. 105. P. 11512–11519.
Bapiri A., Bååth E., Rousk J. Drying-rewetting cycles affect fungal and bacterial growth differently in an arable soil // Microbial ecology. 2010. V. 60. № 2. P. 419–428.
Griffiths B.S., Philippot L. Insights into the resistance and resilience of the soil microbial community // FEMS Microbiology Reviews. 2013. V. 37. P. 112–129.
Harris J.A. Soil microbial communities and restoration ecology: facilitators or followers? // Science. 2009. V. 325. № 5940. P. 573–574.
Tolosa I., Mora S., Sheikholeslami M.R.,Villeneuve J.P. et al. Aliphatic and Aromatic Hidrocarbons in coastal Caspian Sea sediments // Marine Pollution Bulletin. 2004. V. 48. P. 44–60.
Van der Heijden M.G.A., Bardgett R.D., Van Straalen N.M. The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems // Ecology Letters. 2008. V. 11. № 3. P. 296–310.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология
Пн.-пт.: 10.00-19.00