Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Техногенные воздействия коренным образом изменяют сложившееся стабильное состояние природных экосистем, приводя к негативным экологическим последствиям, вплоть до полного уничтожения растительности и почвенного покрова. В посттехногенный период развития техногенные ландшафты многие исследователи считают экоклином, внедренным в природную систему естественных экосистем [7, 10, 16]. Формирование фитоценозов в техногенных ландшафтах реализуется в последовательном прохождении ими определенных стадий развития – стадий сукцессии. Сукцессии биоценозов, как и фазы почвообразования, включают в себя инициальный, динамический и метастабильный этапы развития [1]. Особенности прохождения этапов сингенетических сукцессий растительности позволяют охарактеризовать изменение состояния стабильности складывающихся фитоценозов и направленность почвообразовательного процесса [7, 10, 16]. Обусловлено это тем, что в процессе посттехногенного формирования экосистем происходят изменения в основных потоках поступления энергии, связанной с органическим веществом растительного происхождения, и энергии, аккумулированной в почве. Это во многом обусловливает экологическую стабильность формирующихся экосистем, которые представляют удобный объект для решения как теоретических, так и прикладных вопросов экологии, биологии и почвоведения, выступая своеобразными моделями формирования сингенетических сукцессий растительности и почв.

Исследованию процессов зарастания отвалов угольных шахт Дальнего Востока и проблеме их рекультивации посвящены работы ряда авторов [5, 6, 9, 11, 12, 13]. Однако на территории юга Приморья имеются рекультивируемые участки шахт (участок шахты ОО «Правобережное»), на котором не проводилось изучение видового состава растительности и запасов растительного органического вещества.

Цель работы – исследование сингенетических сукцессий растительности, процессов накопления растительного органического вещества и формирование почвенного покрова на рекультивируемых участках.

В задачи исследования входило:

1. Изучение видового состава растений и их группировок.

2. Определение запасов растительного органического вещества.

3. Исследование инициальных процессов формирования почв на рекультивируемых участках.

Материалы и методы исследований

Объектом исследований явились растительность и почвы рекультивируемого участка шахты ОО «Правобережное» (Южно-Приморская область). В первый вегетационный период, в неравнозначных по экологическим условиям местах были заложены пробные площадки размером 20×20 м. Первая, вторая и третья пробные площадки (пр. пл. № 1, 2, 3) расположены в разных частях рекультивированного породного отвала и достаточно полно представляют экологическое разнообразие его территории. Пробная площадка № 4 приурочена к территории рекультивированного угольного склада. Флористические, геоботанические и почвенные исследования были проведены в конце вегетационного сезона 2009 и 2011 г. после рекультивации.

Для расчета встречаемости видов пробные площадки разбивались на квадраты 1×1 м (учетные площадки), для них составлялся полный список сосудистых растений и определялось их проективное покрытие. При определении типа жизненных форм растений использовались биоморфологические таблицы, разработанные А.Б. Безделевым и Т.А. Безделевой [3]. Латинские и русские названия видов сосудистых растений приводятся согласно номенклатуре, принятой в региональной флористической сводке – «Сосудистые растения советского Дальнего Востока» [14].

Общая фитомасса (надземная и подземная) растительных сообществ и запас растительного органического вещества, включающий мортмассу, определялись на учетных площадках размером 1 м2, заложенных в трехкратной повторности по методике, предложенной Н.И. Базилевич с соавторами [2]. Расчет энергетических показателей проведен по методике Л.А. Гришиной [4].

Почвы исследуемых площадок, согласно классификации [8], отнесены к литостратам инициальным, со строением профиля: СI–СII и литостратам органо-аккумулятивным, с признаками дифференциации на горизонты – АО – С1–С2.

Результаты исследований и их обсуждение

Район исследования характеризуется типичным для Приморья расчленением горного рельефа и представляет собой систему гор, речных долин и межгорных котловин, относится к Южно-Приморской области, а по разнообразию природных и климатических условий ‒ к Партизанской провинции [15]. Для провинции характерен теплый и мягкий климат, так как она испытывает влияние Японского моря, а также защищена горами от вторжения холодных континентальных воздушных масс. Самый тёплый месяц – август, средняя температура которого +20, максимальная 36,6 градусов. Самый холодный месяц – январь, средняя температура –14, максимальная –29,9 °С. Среднегодовая температура составляет 4–5 °С, продолжительность безморозного периода – до 170 дней. Годовая сумма осадков колеблется в пределах 650–800 мм в год, причем до 90 % всех осадков выпадает в теплый период.

Растительность в районе исследований в настоящее время представляет антропогенно трансформированный вариант хвойно-широколиственных лесов. Склоны сопок покрыты вторичными дубовыми лесами в сочетании с участками кустарниковых зарослей. Наиболее распространенными почвами природных ландшафтов в районе работ являются буроземы типичные.

Окружающие природные экосистемы оказывают непосредственное влияние на процессы самозарастания рекультивируемых территорий, так как являются источниками семян, которые попадают на минерализованные рекультивированные участки. Пионерами зарастания, как правило, являются экологически пластичные синантропные растения, способные произрастать в нарушенных человеком местообитаниях и переносить экстремальные условия техногенной среды.

Мониторинг за процессом восстановления растительного покрова на рекультивированных участках угольного склада и породного отвала в течение трех вегетационных периодов выявил некоторые тенденции в формировании флоры и растительных сообществ. Отмечено 72 вида сосудистых растений, участвующих в процессе самозарастания, которые представляют 25 семейств. Ведущим по количеству видов (24 вида, что составляет 33 % от общего количества) оказалось семейство астровых. Количество остальных семейств значительно ниже: семейство бобовых ‒ 9 видов (12,5 %); мятликовых – 7 (9,7 %), маревых – 4 (5,6 %); в семействах гречиховые, ивовые и розовые – по 3 вида; ильмовых – 2 вида, а 17 семейств (24 %) ‒ только по одному виду.

При самозарастании рекультивированных участков в первые три вегетационных сезона участие древесных, кустарниковых жизненных форм незначительно (табл. 1). Семенное возобновление отмечено у ильма, тополя, ясеня, леспедецы уже в первый год, но оно имело очень низкие показатели численности и жизненности. Безусловное преимущество в освоении минерализованных участков принадлежит травянистым видам (56–77,8 %), причем доли одно-, двулетних и многолетних видов практически равны (по 28 видов – 38,9 %). Уже в первый вегетационный период после рекультивации многие из них имеют очень высокие показатели встречаемости, а нередко и обилия. К концу третьего вегетационного сезона число одно-, двулетних видов снижается более чем на треть, а многолетних незначительно. Одновременно наблюдается изменение в видовом составе.

Вегетативно неподвижные травянистые виды (стержнекорневые) имеют явное преимущество (67,9 %) на первых этапах заселения минерализованных территорий (табл. 2). Стержневые корневые системы позволяют закрепиться в грунте и сформировать надземные побеги, но большинство из видов являются однолетними травами и погибают в конце вегетации. Энотера двулетняя, многочисленные розетки листьев которой покрывает грунт, создавая благоприятные условия для закрепления семян, наиболее успешно осваивают минерализованные участки. Вегетативно подвижные многолетние травы по количеству видов более чем в два раза уступают вегетативно неподвижным. Из корневищных наиболее продуктивно осваивают грунт на породном отвале полынь красноножковая и тенистая, тростник японский, ястребинка зонтичная, хвощ полевой, репяшок мелкобороздчатый.

Таблица 1

Основные жизненные формы сосудистых растений в растительном покрове самозарастающих рекультивированных участков (2009 и 2011 годы)

Таблица 2

Участие вегетативно неподвижных и вегетативно подвижных жизненных форм травянистых растений в процессе самозарастания рекультивированных участков

Соотношение вегетативно неподвижных и вегетативно подвижных жизненных форм растений к концу третьего вегетационного сезона изменяется несущественно. Все выявленные на площадках сосудистые растения считаются синантропными с высоким потенциалом семенного или вегетативного размножения, как правило, обладающие значительным светолюбием. Явное преимущество среди них (32 вида, 44,4 % от общего количества) в первые три года процесса самозарастания имеют представители сорной ценотической группы, способные эффективно заселять минерализованные участки антропогенно нарушенных территорий. Более 37 % (12 видов) этой группы являются в Приморском крае заносными – адвентивными (амброзия полыннолистная, лебеда поникающая, череда облиственная, брахиактис реснитчатый, скерда кровельная, подмаренник). Основную часть сорных видов составляют рудеральные растения. Сегетальные виды (коммелина обыкновенная, петушье или куриное просо), являющиеся сорными растениями полей и огородов, представляют небольшую, но довольно активную группу. Прослеживается тенденция к уменьшению числа сорных растений уже на третий год после рекультивации, но число их остается высоким – 41,2 %. В 2011 году на территории площадок не были отмечены 10 видов этой ценогруппы (полынь Сиверса, лебеда поникающая, череда облиственная, брахиактис реснитчатый, марь белая и м. сизая, латук компасный, горец развесистый, спорыш птичий, коммелина обыкновенная и др.), но появились новые сорные растения (скерда кровельная, подмаренник Вайата, липучка растопыренная, крылатосемянник индийский, герань сибирская, ильм низкий). Только полынь тенистая, бодяк щетинистый, осот полевой, донник белый, подорожник большой, одуванчик, полынь веничная, клевер ползучий, кониза канадская, петушье просо, энотера двулетняя, крестовник клейкий, люцерна хмелевидная, клоповник густоцветковый и амброзия полыннолистная были постоянными в течение трех лет зарастания рекультивированных участков. Это составляет около 47 % их общего числа.

Вместе с сорными видами активными пионерами зарастания рекультивированных участков выступают и растения зарослевой ценотической группы (16–22,2 %). Преимущественно это представители аборигенной флоры, имеющие в разной степени вегетативно подвижные жизненные формы. Среди них присутствует кустарник (бузина кистистая), полукустарник (полынь Гмелина), травянистые лианы (ломонос пильчатолистный, метаплексис японский, амфикарпея японская, глицине соя), многолетние и однолетние травы. Общее их количество к концу третьего вегетационного сезона увеличивается до 25,5 % (2009 – 21,8 %). Луговые виды по численности несколько уступают зарослевым (15–20,8 %). В основном это тоже многолетние и вегетативно подвижные травы. Выявлена тенденция к сокращению числа луговых видов к концу третьего сезона с 13 (23,6 %) до 10 (19,6 %). Наименьшую активность (9,0–12,5 %) в процессе самозарастания рекультивированных участков проявили представители лесной ценогруппы. Внедрение древесных и кустарниковых видов на территорию породного отвала № 1 идет крайне медленно. Только у ясеня маньчжурского отмечены побеги до 170 см, тогда как у остальных видов они значительно ниже (ясень маньчжурский – 35 см, клен приречный – 70 см, ильм низкий – 30 см), жизненное состояние подроста пониженное.

Обследование растительного покрова в июне 2011 г. рекультивированных участков шахты «Правобережное» показало, что процесс зарастания продолжается, но идет очень медленно и вступает в фазу перехода от пионерных слабосомкнутых микрогруппировок из однолетних растений в фазу формирования устойчивых к дефициту влаги почв группировок многолетних видов. Доминирующий в растительном покрове в 2009 г. донник белый в 2011 г. практически исчез из числа фоновых растений, что, вероятно, связано с дефицитом влаги в почве.

На исследуемых участках с большим включением углистого материала (площадки 1 и 4) растительность представлена в основном представителями семейства астровых (Asteraceae) – это полынь маньчжурская и горчак (табл. 3). Проективное покрытие составляет до 1 %. Также встречаются представители семейств Onagraceae и Fabaceae, это энотера двулетняя и люцерна хмелевидная. На площадке 1 в единичных экземплярах произрастают осот полевой, люцерна хмелевидная, донник белый и ильм японский, являющиеся представителями семейств Fabaceae и Ulmaceae. Для исследуемых площадок свойственны очень низкие запасы фитомассы (надземной и подземной), а также общие запасы растительного органического вещества (табл. 4). На этих площадках мортмасса, как правило, не накапливается. В таких условиях формируются литостраты инициальные.

В составе растительности на площадке 2 по-прежнему преобладали представители семейства Asteraсeae – полынь тенистая, бодяк щетинистый, скерда кровельная и Onagraceae – энотера двулетняя. На этой территории наблюдается значительное накопление мортмассы, что свидетельствовало о некоторой заторможенности процессов трансформации органического вещества, вызванного, на наш взгляд, значительным дефицитом влаги. В таких условиях начинают формироваться литостраты органо-аккумулятивные. Существенно возросли запасы фитомассы (надземной и подземной), а также общий запас растительного органического вещества (до 618,9 г/м2) (табл. 4). В общем запасе растительного органического вещества преобладала надземная её часть и мортмасса. Наибольшее количество органического углерода свойственно для надземной фитомассы, и основное поступление энергетических потоков связано с органическим веществом надземной фитомассы (табл. 5).

Таблица 3

Видовой состав растительности на площадках рекультивируемых участков

Таблица 4

Запасы фитомассы на пробных площадках рекультивируемых участков

На площадке 3 видовой состав растительности из-за существенной неоднородности почвенного покрова по содержанию углистого материала заметно варьировался. В составе растительности по-прежнему доминировали представители семейства Asteraсeae – полынь тенистая, бодяк щетинистый, также появились представители семейства Poaceae – это тростник японский и ломонос пильчатолистный. Доминирующий в растительном покрове в 2009 г. донник белый в 2011 г. практически исчез из числа фоновых растений. Зафиксировано накопление мортмассы и сокращение общего запаса растительного органического вещества, что обусловило формирование литостратов органо-аккумулятивных. По сравнению с площадками 1 и 4 на данной площадке значительно возросло содержание органического углерода и энергетические параметры растительного органического вещества. Наибольшие энергетические показатели и количество органического углерода на площадке 3 заключены в мортмассе.

Таблица 5

Запасы органического углерода и энергетические показатели растительного органического вещества на пробных площадках рекультивируемых участков

Выводы

1. На процессы самозарастания рекультивируемых участков в период их посттехногенного развития существенное влияние оказывают природные окружающие экосистемы.

2. Общее число видов на обследованных участках увеличилось до 168 (145 в 2009 г.). На всех участках произошли изменения в видовом составе. Доминирующий в растительном покрове в 2009 г. донник белый, который успел за один вегетационный сезон сформировать плотные группировки по склонам бугров и в микропонижениях, в 2011 г. практически исчез из числа фоновых растений, что, вероятно, связано с дефицитом влаги в текущем году.

3. На исследуемой территории в составе почвенного покрова начинают формироваться литостраты инициальные и органо-аккумулятивные. Для литостратов с большим включением углистого материала (площадки 1 и 4) свойственны низкие запасы фитомассы и общие запасы растительного органического вещества. Основное поступление органического углерода растительного происхождения происходит за счет надземной части фитомассы и мортмассы.

4. Обследование растительного покрова рекультивированных участков шахты показало, что процесс зарастания идет медленно и вступает в фазу перехода от пионерных слабосомкнутых микрогруппировок из однолетних растений в фазу формирования устойчивых к дефициту влаги многолетних видов. Это обусловливает необходимость проведения рекультивационных мероприятий одновременно с фитомелиоративными приемами по возобновлению растительности.

Рецензенты:

Голов В.И., д.б.н., главный научный сотрудник сектора биогеохимии, БПИ ДВО РАН, г. Владивосток;

Дербенцева А.М., д.с-х.н., профессор кафедры почвоведения и экологии почв, ДВФУ, г. Владивосток.

Работа поступила в редакцию 06.11.2013.