Влияние нефтешламового загрязнения почв на всхожесть семян хвойных видов древесных растений

Одним из последствий производственной деятельности человека является загрязнение окружающей природной среды углеводородами нефти и продуктами их переработки. Проблема борьбы с углеводородным загрязнением становится всё более актуальной в России, где долгие годы решение экологических вопросов было не на должном уровне.
Одна из основных экологических опасностей нефтеперерабатывающих предприятий (НПЗ) заключается в том, что в процессе эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения на НПЗ образуется значительное количество нефтешлама, который представляет собой смесь механических примесей органического и минерального происхождения, нефтепродуктов и воды.
...

Оглавление
Введение 3
Глава I. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ НЕФТЕШЛАМОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 5
1.1.Общая характеристика нефти и влияние её компонентов на почву 5
1.2.Нефтяные шламы, их состав и нефтешламовые амбары 11
1.3 Потенциальная способность почв к самоочищению 19
1.4.Эколого-физиологические особенности прорастания семян 27
1.5. Влияние нефтяного загрязнения почв на всхожесть семян 34
Глава II. ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ,ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИСКОЙ И ЕЛИ СИБИРСКОЙ 37
2.1. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L) 37
2.2. Ель сибирская (Picea obovata L.) 39
2.3. Лиственница сибирская (Larix sibirica L.) 40
Глава III. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 44
Глава IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 47
ВЫВОДЫ 58
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 59
ПРИЛОЖЕНИЯ 64

Одним из последствий производственной деятельности человека является загрязнение окружающей природной среды углеводородами нефти и продуктами их переработки. Проблема борьбы с углеводородным загрязнением становится всё более актуальной в России, где долгие годы решение экологических вопросов было не на должном уровне.
Одна из основных экологических опасностей нефтеперерабатывающих предприятий (НПЗ) заключается в том, что в процессе эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения на НПЗ образуется значительное количество нефтешлама, который представляет собой смесь механических примесей органического и минерального происхождения, нефтепродуктов и воды.

Отдельные массивы почв с таким потенциалом самоочищения встречаются в юго-восточном Зауралье, на Алтае, в Саянах, Забайкалье и Приамурье.5) Почвы с наиболее высоким потенциалом самоочищения от углеводородов (высокой скоростью разложения и сильным рассеянием углеводородов) занимают почти всю европейскую часть России (за исключением Крайнего Севера, полупустынь Нижнего Поволжья и Калмыкии), горные и предгорные территории Алтая, Западных Саян, Забайкалья, Приморья, Южного Сахалина. Сюда входят: боровые пески, подзолистые, серые лесные почвы, разные типы черноземов, аллювиальные почвы на равнинах, буроземы, подбуры, дерново-таежные, буро-таежные, дерново-подзолистые в горах и предгорьях. Столь широкий диапазон типов почв, принадлежащих к различным ареалам, оцененных как имеющих наиболее высокий потенциал самоочищения, объясняется рядом причин. Территории, попадающие в ареал 5, характеризуются благоприятными условиями для окисления углеводородов. Период наиболее высокой биологической активности длится от 4 до 6 месяцев, суммы температур выше 10 °С больше 1500, а окислительно-восстановительный потенциал почв окислительный и окислительно-восстановительный. Эти же территории характеризуются весьма благоприятными условиями и для рассеяния углеводородов. Этому способствует отсутствие постоянно-мерзлого слоя, небольшая мощность органогенного и гумусового горизонтов (меньше 30-40 см), преимущественно промывной режим почв и высокое среднегодовое количество осадков (больше 300 мм, а на большей части территорий больше 500 мм). Почвы с одними менее благоприятными факторами разложения или рассеяния углеводородов реализуют свой потенциал самоочищения другими компенсирующими факторами. Почвы горных территорий в большинстве районов характеризуются высокими способностями к рассеянию углеводородов, за исключением болотно-торфяных почв в межгорных котловинах. К наиболее благоприятным районам для реализации потенциала самоочищения относятся горные и предгорные территории Алтая, Западных Саян, Забайкалья, Приморья, Южного Сахалина (Сочава,1965).Следует отметить, что способность самоочищения аллювиальных почв от загрязнения определяется также и климатическими факторами. Было проведено сравнение потенциальной способности к самоочищению от углеводородов почвенных покровов разных регионов территории России. В качестве исходных параметров для такого сравнения выбраны почвенные и климатические характеристики, так или иначе определяющие условия, которые благоприятствуют или затрудняют процессы физико-химического и биологического разложения нефти и продуктов её разложения в почвах и грунтах, а также процессы механического рассеяния углеводородов из ареалов первоначального загрязнения. По соотношению этих двух групп факторов на равнинной территории выделяется 6 типов ареалов почвенного покрова, различающихся потенциалом самоочищения от углеводородов нефти. Для горных районов России выделено 3 ареала, а для аллювиальных почв . 4 ареала, различающихся потенциальной способностью почв к самоочищению. Из выделенных 13 ареалов низким потенциалом разложения углеводородов обладают 6, умеренным 3, высоким 4 ареала. Из тех же 13 типов ареалов семь обладают высоким потенциалом рассеяния углеводородов, низким и умеренным потенциалом обладают три (Гошева,2010).Процессы механического рассеяния, снижая концентрацию углеводородов, создают опасность загрязнения подземных и поверхностных вод и других компонентов ландшафта. Поэтому условия для протекания обеих групп процессов (разложения и рассеяния углеводородов) должны выявляться и показываться раздельно. С этих позиций необходимо подходить и к нормированию допустимых концентраций нефти и нефтепродуктов в почвах.Например, обширная часть территории Европейской России обладает наиболее благоприятными среди земель Российской Федерации условиями для разложения и рассеяния углеводородов. Но при этом порог их допустимых концентраций не должен завышаться, так как здесь одновременно существует высокая опасность вторичного загрязнения водного компонента ландшафта. Приводимые факторы носят качественный характер. Они указывают лишь на условия, в которых существуют почвы, и ничего не говорят о техногенной нагрузке на них. Количественно потенциал самоочищения должен быть определен, исходя также из первоначального уровня загрязнения и состава загрязняющего вещества (Елин,2000). 1.4.Эколого-физиологические особенности прорастания семянОсобое место в экологических исследованиях древесных растений занимает определение качества семян, которое рассматривается как показатель потенциальных возможностей их семенного возобновления. Качество семян используется как критерий успешной адаптации и учстойчивости видов растений при нефтяном загрязнении почвы, и ограничиваются лишь посевными качествами показателями жизнеспособности и всхожести семян. Важным моментом в прорастании семян древесных растений являются наследственные свойства, от них зависит успешность семенного возобновления в лесных экосистемах.На прорастание семян влияют не только морфологические свойства семени (кожура, присутствие или отсутствие тканей с запасом питательных веществ, размер зародыша и степень его развития), но и биохимические (характер белков, в том числе фитохромов и ферментов, присутствие ингибиторов). В исследованиях Данилова (1930) было установлено, что желуди дуба черешчатого без кожуры прорастали значительно раньше и быстрее желудей с кожурой или с поврежденной кожурой. Он объяснил это механическим действием кожуры. По исследованиям Н.В. Цингер (1958) на самом раннем этапе набухания семян зависит не от скорости поступления воды в ткани семян и зависит не столь от жизненного уровня, а от химического и физического свойства. Семена обладают различной всхожестью при одинаковом строении кожуры в большей степени от физиологической активности зародыша и физиологическая самостоятельность зародыша в большой степени зависит от возраста зародыша и от достигнутой дифференциации (Зубкус, 1948).У многих растений в естественных условиях наблюдается периодичность прорастания весной, и осенью как отмечал Завьялов(1939), и это обстоятельство имеет важную роль в сохранении семян от несвоевременного прорастания. Видимо периодичность прорастания семян древесных растений закрепляется генетически и в природе в огромной степени отражает динамику влажности лесной подстилки и плодородного слоя почвы.В начальной стадии прорастания растений очень низкая сопротивляемость на воздействие внешних факторов, они очень чувствительны к дефициту воды, низкой и высокой температуре и к излишку токсинов и др. Возможность растений переживать дефицит влаги зависит от их способности поглощать воду, ограничивать потерю воды и переносить обезвоживание. Таким образом, устойчивость растений зависит от анатомо-морфологического строения семян и генетической способностью протоплазмы сопротивляться обезвоживанию (Козловский, 1969). Молодые растения обладают большей пластичностью и значительно быстрее приспосабливаются к различным условиям (Альтергот, Помазова, Волгина, 1964). Исследуя первичные ростовые реакции на фоне действия факторов среды, вынудили экспериментаторов отказаться от сложных моделей, таких как целое растение, и использовать изолированные органы и ткани, что помогло решить выяснение роли отдельных факторов в обмене веществ. (Меняйло, 1971).Цикл развития растения начинается с прорастания семени и продолжается через ювенильную стадию к зрелости, и каждая стадия подчиняется контролю различных внутренних физиологических и биохимических механизмов. Ни одну из этих стадий и по сей день нельзя полностью объяснить с точки зрения протекающих в ней биохимических превращений и с физиологической точки зрения.На прорастание семян оказывают влияние в первую очередь наличие влаги и температурный режим воздушной среды. На рост проростков влияют также дополнительно экологические факторы - режим освещения (длительность, спектр света, соотношение светового и темнового периодов) и обеспеченность элементами минерального питания. Также на прорастание так и на рост проростков существенное влияние оказывает внутривидовая изменчивость по качеству семян.В исследованиях Гаак хорошие семена отлично прорастали и при неблагоприятных условиях (при избытке или при дефиците влаги), и в течение всего года, тогда как слабые и средние, с ноября по январь, давали не более 30% всхожести; в марте же и в апреле такие же семена прорастали в количестве 60%. На значительную индивидуальность в развитии всходов, происходившую, от свойств самих семян, указывают также наблюдения С. Григорьева (1914), который проращивал семена сосны в вегетационных сосудах. Измерения всходов показали следующие отклонения от средних, %:по высоте стволовот +16,0 до - 20,0;по общей длине хвои+35,4 до - 78,5;по общей длине корня+65,0 до - 32,6;по общему весу растения+44,9 до - 65,1Всхожесть семян разных видов деревьев крайне неодинакова – бывают некоторые виды, всхожесть которых очень значительная и возможно найти семена сосны со стопроцентной всхожестью и, такие породы, как ивы, тополя, осины, всхожесть которых часто падает до нуля процентов. Большей всхожестью обладают хвойные виды и немногие из лиственных пород, но только у сосны и ели отмечается большая всхожесть, когда всхожесть семян пихты и лиственницы почти в 2 раза ниже. Минимальным количеством пустых семян обладают кустарники, особенно лиственные, затем деревья лиственных пород и, максимальное количество пустых семян у хвойных растений, исключением является сосна (Кобранов, 1925).Интенсивность прорастания семян в значительной степени зависит и от свойств их оболочки. Оболочка имеет важную роль в жизни растения, выполняя защитные функции и регуляцию механизма индивидуального развития организма на ранних этапах жизни. Так, изучение ее влияния очень важно для углубленного познания эколого-биологических свойств видов древесных растений. Исследования Н.П. Кобранова (1925) указывают на значительное разнообразие степени развития оболочки у семян хвойных пород. Семена пород деревьев делят на 3 группы: 1-семена лиственницы с наиболее тяжелой оболочкой (около 70% от веса всего семени); 2-со значительно более легкой (от 40-50%) - семена кедра сибирского и пихты; 3-с наиболее легкой оболочкой (30%) - семена сосны обыкновенной и ели.Количество урожая и качество семян зависит в основном от внешних обстоятельств, а не только от физиологических причин. Все эти обстоятельства при выборе семян надо учитывать все факторы: влияние погоды, время сбора семян и их физиологические свойства. Поэтому, чтобы иметь возможность критически относиться к характеристике семян, необходимо учесть значение всех факторов, которые могут оказать более или менее значительное влияние на качество семян, главным образом на их всхожесть.Для ускорения прорастания семян применяют разного рода искусственные меры, такие как химические реагенты, замачивание, закаливание семян. При применении химических реагентов например, кислот нужно учитывать концентрацию раствора. При обработке семян с тонкой оболочкой (сосна, ель) применяют слабые растворы кислот. Действует кислота как размягчитель внешних покровов, которые препятствуют попаданию воды. Таких же результатов можно достигнуть и механическим путем, разрушив верхний слой семян (Тольский, 1927).Кроме применения растворов кислот различной концентрации, для ускорения прорастания семян с тонкой оболочкой, например, сосны, ели, рекомендуется предварительное замачивание их в воде.Предварительное замачивание уменьшает сопротивление оболочки набуханию семян: чем быстрее она размягчается и пропускает влагу, тем менее длительное должно быть замачивание семян. Так, согласно Н.П. Кобранову (1925) относительно веса семенных оболочек и замачивания наблюдается прямая зависимость. У сосны при отношении оболочки к весу семян 27,8% оптимальная длительность замачивания составляет 8 часов, у ели при 30,4% - 16 часов и у кедра при 49,8% -4 суток.Облегчая данным методом набухание семян, уменьшается период скрытого прорастания (время от выкладки семян до появления корешков) - для ели этот период длится до 8-13 дней, для сосны до 6-7 дней.В большинстве случаев ученые приходят к мнению, что комнатная температура является оптимальной, поэтому при отсутствии термостатов можно ограничиться проращиванием семян при комнатной температуре. Но по наблюдениям Титца, при прорастании семян сосны, ели и лиственницы оптимальной температурой, при которой наблюдается минимальная продолжительность прорастания является 27°С. Наблюдения Л.И. Яшнова (1883) показали, что семена сосны хорошо прорастали при температуре 25°С, ель при 18-20°С, временное повышение температуры на 6°С уменьшало всхожесть ели. Не все семена способные прорастать при температуре ниже 18°С прорастали.Полнозернистые семена хвойных пород слабо различаются по их абсолютной всхожести - она зависит от погодных условий в период их созревания, и от того как, где и сколько времени хранились семена. Абсолютная всхожесть в период прорастания имеет массу вариантов, при этом её изменчивость зависит от периода, когда проводится оценка энергии прорастания (велика в первые дни после начала прорастания семян, но при увеличении числа проросших семян, изменчивость резко уменьшается). Многие ученые утверждают, что энергия прорастания увеличивается прямо пропорционально абсолютной всхожести семян (это хорошо наблюдается при учете всех семян из шишек, также и пустых, без учета индивидуальных особенностей деревьев). Результаты опытов С.А. Мамаева (1973) по проращиванию семян при различной температуре показали, что лучшая всхожесть семян сосны наблюдается при температуре 16-20°С. При этом, прорастание семян происходит в наиболее короткий срок - в течение семи - десяти суток, после этого полностью заканчивается. Оценка солеустойчивости семян сосны позволила установить, что при концентрации 0,05 - 0,1Н хлорида натрия немного угнеталось прорастание семян. При этом в некоторых случаях вызывалась небольшую стимуляцию всхожести. Но появляющиеся проростки были мало жизнеспособны и в дальнейшем обычно погибали. Их размеры при концентрации 0,05 Н достигают 50-70 мм, а при концентрации 0,1Н не превышают 30-40 мм. При концентрации хлорида натрия - 0,2Н всхожесть семян резко падает и уменьшается энергия прорастания. Период прорастания затягивается и увеличивается в сравнении с контролем и раствором более слабой концентрации на 3-5 дней.Также установлено, что химические соединения в малых дозах играют важную и положительную роль в физиологических процессах растений. Но, с увеличением концентрации данные элементы утрачивают свою биохимическую функцию и оказывают отрицательное влияние на рост и развитие растений. При увеличении концентрации раствора чаще всего наблюдается усиление дифференциации деревьев по всхожести их семян. У некоторых особей появляется большая, а у других меньшая устойчивость к засолению. Особенно ясно это наблюдается при варианте с высоким содержанием соли 0,2Н. Некоторые образцы сохраняли высокую всхожесть - около 80%, другие - почти теряли способность к прорастанию. Они обычно набухали, но зародыш умирал, и происходило загнивание эндосперма. Проросшие семена давали корешок общей длиной 2-13 мм, очень редко образовывался гипокотиль. В скорейшем времени растения быстро погибали. При этом различия абсолютной всхожести обычно были настолько велики, что коэффициент вариации возрастал до 40-50% и более. На основе этого опыта С.А. Мамаев (1973) сделал заключение о том, что увеличение отрицательного действия солевого раствора повышает уровень изменчивости признаков. Было отмечено, что семена, хорошо прорастающие в чистой воде, также лучше прорастают и в солевом растворе.Воздействие любых негативных факторов для прорастания семян повышает амплитуду варьирования и выявляет скрытую изменчивость. Что касается семян сосны, А.П. Тольский (1950) считал вполне установленным фактом, что с понижением интенсивности света всхожесть семян уменьшается. В связи с этим учитывают определения всхожести, произведенные с семенами сосны осенью и весной, когда в одном случае радиация минимальна, а в другом близка к максимальной. В течение года и на разных широтах радиация колеблется в очень значительных пределах, что даже на одной и той же семенной станции делает производимые наблюдения по проращиванию семян несравнимыми между собой.Масса оболочки, которая, по всей видимости, зависит от ее толщины, существенно влияет на интенсивность набухания семян, то есть чем толще оболочка, тем меньше должна быть скорость набухания. В опытах, проведенных М.А. Мамаевым и П.П. Поповым (1989) данное предположение подтверждается. Так, на восьми опытных участках вес оболочек составлял 24-27 процента от веса массы семян, вес семян в результате набухания возрастал за 4 часа на 16,4 процентов, а на шести остальных, где масса оболочки достигала 31-35%, вес семян увеличивался на 12,7%.После набухания начинается прорастание семени, появление первичного корня, затем остальных элементов проростка. Процесс прорастания заканчивается через 6-10 суток, иногда через 15 суток после их помещения во влажный субстрат.Повышенная активность обмена веществ в семенах, неизбежно предшествующая прорастанию, является функцией обводненности протоплазмы. Так, например, дыхание семян обычно заметно усиливается, если обводненность их начинает превышать определенный критический уровень. Таким образом, между скоростью прорастания высеянных семян и скоростью поглощения воды существует определенная корреляция. На скорость прорастания влияют и свойства семян, и водоудерживающие силы почвы. Сведения о прорастании и всхожести семян древесных растений очень важны для практических целей. В соответствии с их показателями устанавливаются классы качества. Для семян ели сибирской и лиственницы сибирской в каждом классе качества свойственна более низкая всхожесть. С одной стороны это объясняется тем, что они произрастают в менее благоприятных климатических районах, а с другой, толщиной и особенностями оболочки семян.При этом учитывают возможность мозаичного распределения факторов, определяющих условия репродукции. Так, в один и тот же год в ряде участков ареала могут формироваться высококачественные семена, а в других, семена с худшим качеством. Не всегда мелкие семена имеют худшее качество. Опыты по проращиванию семян не показали преимущества крупных семян. При оценке всхожести семян из смешанной партии мелкие семена дали лучшую всхожесть. При сравнении семян в пределах шишки самые мелкие из них и самые крупные оказались худшими по качеству. 1.5. Влияние нефтяного загрязнения почв на всхожесть семянОсобое место в экологических исследованиях древесных растений занимает оценка качества семян, которое рассматривается как показатель потенциальных возможностей семенного возобновления. Этот показатель используется как критерий адаптации и устойчивости видов в условиях нефтяного загрязнения. Для прорастания семян древесных растений вместе с этим, важными являются наследственные свойства семян, от которых зависит успешность естественного семенного возобновления в лесных биогеоценозах.Всхожесть семян и скорость их прорастания являются диагностическими признаками для оценки их качества, а также служат прямыми показателями экологических условий их прорастания (Донец,2009).Всхожесть семян – это их способность образовывать нормально развитые в определенный срок проростки. Всхожесть фиксируют путем учета нормально развитых проростков, в том числе предварительного подсчета быстро и дружно проросших семян (энергия прорастания), а также учета других категорий семян. Энергия прорастания – это способность семян давать нормальные проростки за установленный срок, более короткий, чем для определения всхожести (для семян сосны обыкновенной – семь дней). Этот показатель определяют вместе со всхожестью, он характеризует дружность прорастания семян. Методика определения всхожести семян и обработка полученных результатов проводятся в соответствии с ГОСТ 13056.6-97 «Семена деревьев и кустарников.