Экспериментальные исследования демутации растительных сообществ в зоне техногенного воздействия рудников

© Ю.П. Галченко, 2015

УДК 622.502 Ю.П. Галченко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕМУТАПИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ В ЗОНЕ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ РУДНИКОВ*

Приведены результаты натурных наблюдений за развитием процессов самовосстановления фитоценозов в зоне их техногенного поражения и на поверхности породных отвалов. Установлено, что в первом случае главным фактором, определяющим характер развития процессов самовосстановления соответствие ширины экотона с длиной переноса семян видов-эдификаторов и ассектаторов первичного фитоценоза. Во втором случае, сукцессионный ряд узловых фитоценозов самовосстановления проходит точку бифуркации на самой ранней стадии своего развития.

Ключевые слова: техногенное нарушение биоты, самовосстановление фитоценоза, техногенные новообразования, сукцессионные ряды узловых фитоценозов, вторичные растительные сообщества.

Современный этап развития конфликта между человеком и естественной биотой Земли характеризуется постепенной «экологизацией» мышления. Осознаны, как губительность бесконтрольного развития технократической цивилизации, так и абсолютная бесперспективность биоцентризма под лозунгом «назад к природе». Нарастающие противоречия между разумом и природой, порожденные многовековым доминированием идеологии безграничного потребления человеком естественных ресурсов, неизбежно ведут к быстрой деградации естественной биоты Земли» вплоть до полного ее уничтожения. Очевидная опасность таких процессов выдвинула эту проблему в число первых приоритетов дальнейшего развития всей человеческой цивилизации.

Все более ясное понимание того, что в используемой модели развития технократической цивилизации, защита и сохра-

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума РАН П-44.

нение природы носит характер борьбы со следствиями, а не с причинами, предопределило настоятельную необходимость коренного изменения принципов построения взаимоотношений техно- и биосферы.

В основу новых подходов были положены принципы «sustainable development», которые в нашей стране трактуются, как стратегия устойчивого развития природы и общества. [1]

Применительно к освоению недр, особенно новых месторождений, расположенных на территориях, не затронутых еще антропогенным воздействием, не меньшую (если не большую) значимость приобретает проблема создания принципов проектирования, строительства и эксплуатации объектов бытовой инфраструктуры добывающих предприятий, позволяющих удерживать в границах диапазонов толерантности биоты также и все виды антропогенной нагрузки, связанной с концентрированным проживанием людей.

Вместе с тем, для горнодобывающих предприятий, срок существования каждого из которых ограничен исчерпаемо-стью балансовых запасов, большой интерес представляет выявление особенностей восстановительной сукцессии в постэксплуатационный период. Общее представление о направлениях развития этого процесса дает изучение возобновления древесных пород в различных частях изучаемой территории в постэксплуатационный период.

При этом, необходимо рассматривать два типа задач:

— развитие демутационных процессов в зоне техногенной дигрессии первичных экосистем естественной биоты;

— развитие естественной восстановительной сукцессии на поверхности техногенных новообразований (прежде всего породных отвалов).

Исследование процессов самовосстановления фитоцено-зов производились в зоне техногенного поражения, примыкающей к промплощадке подземного рудника с производительностью более 1 млн т руды в год, закрытого более 25 лет тому назад [1].

Методика наблюдений за современными фитоценотиче-скими ландшафтами заключалась в маршрутном исследовании бассейна горной реки и в описании фитоэкологических профилей, заложенных через долину и примыкающие скло-

ны. Были сделаны геоботанические описания лесной ассоциации и произведен подсчет подроста древесных пород из учетных площадок 2х50 м. Расстояния между профилями колебались от 2,5 до 4 км. Профили второго порядка закладывались через долины некоторых притоков.

По данным этих исследований прирусловая галечная полоса и первая надпойменная терраса долины занимали насаждения из тополя (Pоpulus maximоvichzii, Henri) и чозении (Chоsenia macrolepis, Turaz) с ясенем манчжурским (Fraxinus mandshurica, Rupr), кленом моно (Aser mоnо, Rupr) и кленом манчжурским (Acer mandshuricum Maxim), сиренью амурской (Suringa amurensis, Rupr), ольхой пушистой (Alnus hirsuta, Turcz) и некоторыми другими породами.

Судя по характеру возобновления различных видов, естественный сукцессионный процесс на данном эталонном участке характеризуется увеличением роли ясеня (Fraxinus mandshurica, Rupr) и клена манчжурского (Acer mandshuricum Maxim) и клена моно (Aser mоnо, Rupr), которые постепенно вытесняют из эдификаторной синузии тополь (Pоpulus maximоvichzii, Henri) и чозению (Chоsenia macrolepis, Turaz).

В результате комплексного воздействия антропогенных объектов на всей остальной территории долины сформировался совершенно иной (по сравнению с первичным) растительный комплекс.

В лесном покрове по обоим склонам долины удалось выделить лишь две ассоциации (или типа) насаждений, производные от первичного леса:

• в нижней половине склона это — многопородный лиственный лес из березы манчжурской (Betula mandshurica Na Kai), березы желтой (Betula œstata, Trautv), осины (Pоpulus tremula, L.), липы (Tilia amurensis, ^m) и клена моно (Aser mоnо, Rupr) и клена манчжерского (Acer mandshuricum Maxim) с незначительной примесью пород первичного лесо-стоя. Пихта черная (Abies hоlоphulla, Maxim.) представлена единичными перестойными деревьями и редкими группами высокого подроста. Встречаются также отдельные экземпляры перестойного, с выраженной суховершинностью, кедра (Pinus taraiensis, Sieb. et Zucc).

• в верхней части и на гребне хребта растут, кроме того, диморфант (лат. Kalopänax septemlöbus), мелкоплодник (Micromeles alnifolia) и береза Шмидта (лат. Betula schmidtii), То есть первичный трехярусный хвойно-широколиственный лес трансформировался в полидоминантное лесное сообщество на основе мелколиственных пород.

На большей его части, структура подроста вполне соответствует известным особенностям дигрессивно-демутацион-ных смен, возникающих после нарушения первичных хвойно-широколиственных лесонасаждений. Лучше других возобновляются клен моно (5 тыс. шт./га), клен эеленокорый (Aser mandshurica Maxim) (6 тыс. шт./га), клен ложнозибольдов (Acer pseudosieboldianum, Kom.) (3,5 тыс. шт./га), липа амурская (Tilia amurensis, Kom.) (2,8 тыс. шт./га). Почти совсем не возобновляются пирогенные виды — береза манчжурская (Betula mandshurica Na Kai) и осина (Populus tremula, L.). Подрост хвойных пород также практически отсутствует и мало надежды на его появление в дальнейшем. Все это свидетельствует о том, что в будущем, после снятия техногенных и ангропогенных нагрузок, сукцессионное развитие скорее всего пойдет в направлении формирования на этой территории многопородных насаждений с преобладанием лиственных пород. То есть, изменения первичной биоты, вызванные длительным существованием добывающего предприятия, приобрели в значительной мере необратимый характер.

Совершенно иначе выглядит процесс возобновления древесных пород в зоне экотона между вторичными лесонасаждениями и участками сохранившегося в труднодоступных местах первичного леса. Вследствие техногенных причин своего образования, граница между зрелым лесостоем этих двух сообществ выражена достаточно четко и по этому компоненту фитоценоза зона перехода свойств как бы отсутствует. Зато она хорошо просматривается применительно к подросту основных лесообразующих видов. Вокруг всех сохранившихся участков первичной биоты данной экосистемы отмечена полоса (экотон), в пределах которой, наряду с возобновлением видов вторичного лесного сообщества, появляются также основные лесообразующие виды эталонного сообщества (рис. 1).

Рис. 1. Динамика плотности подроста основных лесообразуюших видов в пределах зоны экотона между эталонным и вторичным лесным сообшеством: 1 — кедр корейский

Интенсивность этого процесса для всех этих видов снижается по мере удаления от материнских растений в зависимости от механизмов переноса семян.

Выявленные закономерности изменения плотности подроста и его видовой состав на территориях вторичных лесных сообществ, прилегающих к сохранившимся участкам первичных фитоценозов, свидетельствует о том, что расстояние переноса семян основных лесообразующих видов может быть использовано, как один из критериев регламентации размеров единичных земельных отводов при формировании инфраструктуры поверхностного комплекса добывающего предприятия.

Корфовский каменный карьер расположен на границе Большехехцирского государственного природного заповедника, в связи с этим флора и фауна прилегающих территорий весьма разнообразна. Здесь широко представлены различные типы лиственных, хвойно-широколиственных и темнохвойных лесов. Видовой состав района насчитывает более 1000 сосудистых растений.

Учитывая, что территория горного отвода предприятия ранее была покрыта лесной растительностью, очевидна необходимость ее восстановления путем проведения природоохранных мероприятий. Для осуществления этой цели, возникает потребность в изучении процессов самозарастания нарушенных в процессе складирования твердых отходов горного производства. Кроме этого, изучение процессов естественного зарастания нарушенных земель имеет важное значение для определения пределов толерантности и оценки устойчивости организмов и их самовосстановительного потенциала.

Почвогрунты породных отвалов чаще являются потенциально-плодородными. Кроме этого, с увеличением времени хранения вскрышных пород в отвале улучшаются, физическо-механические характеристики и структура почвогрунтов.

Стоит отметить, что через 1-2 года, после образования отвала на его поверхности появляется пионерная травянистая растительность, представленная 2-3 видами, чаще это полынь обыкновенная (Artemreia vulg6ris), клевер розовый (Trifolium hybridium L.). [2]

Изучение демутационных процессов проводилось на породных отвалах при обследовании их растительного покрова. (рис. 2).

Рис. 2. Изменение количества видов во времени

Таблица 1

Структура фитоценоза естественного возобновления.

Участки самозарастания (породные отвалы, возраст, лет) Количество видов

Всех видов в том числе

древесных кустарниковых травянистых

5 100 0 0 100

10 100 25 12,5 62,5

15 100 15,38 7,69 76,92

25 100 18 18 63

40 100 21,43 21,43 57,14

50 100 17,39 13,04 69,56

Фон (естественная растительность) 100 34,78 15,22 49,99

Пионерная растительность на породных отвалах представлена травами семейств: бобовые: клевер розовый (Trifolium hybridium L.), донник лекарственный (Melilotus albus Medik); злаковые: лисохвост луговой (Alopecurus pratensis, Gramineae), мятлик луговой (лат. Poa praténsis); астровые: полынь обыкновенная (Artemнsia vulg6ris), пижма обыкновенная (Tanacetum L.), одуванчик лекарственный (Taraxбcum offic^le), скерда кровельная (Crepis tectorum L.) и др. Из древесных видов в де-мутационных процессах принимают участие Ива Шверина (Salix schwerinii), ива сахалинская (Salix sachalinensis 'Sekka'), тополь Максимовича (Pоpulus maximоvichzii, Henri), береза белая (Betula albosinensis) и ольха кустарниковая (Duschekia fruticosa, Betulaceae).

В первое пятилетие возобновление растительности малочисленно: единично - полынь обыкновенная (Artemreia vu^ris), лисохвост луговой (Alopecurus pratensis, Gramineae), клевер розовый (Trifolium hybridium L.), одуванчик лекарственный (Taraxбcum officinбle), растения невысокие, до 5 см в высоту, численность не превышает 18 экземпляров на 1 м2. На отвалах (10 лет и более), прилегающих к стене леса единично встречаются древесные виды береза белая (Betula albosinensis), ива Шверина (Salix schwerinii), тополь Максимовича (Pоpulus maximоvichzii, Henri).

В последующие десять лет видовой состав травяного покрова отличается существенным разнообразием и представлен следующими видами: энотера (ослинник) душистая (Oenothera suaveolens), клевер люпиновый (Trifolium lupinaster), скерда кровельная (Crepis tectorum L.), полынь обыкновенная (Artemнsia vulg6ris), полынь вейничная (Artemнsia scop6ria), одуванчик лекарственный (Tarax6cum officin6le), подорожник средний (Plant6go mйdia), прострел раскрытый (Pulsatнlla p6tens), Иван-чай узколистный (Chamerion angustifolium), клевер розовый (Trifolium hybridium L.). Известно, что клевер (Trifolium hybridium L.) благоприятно воздействует на качественные характеристики почвогрунтов, улучшая баланс азота, способствуя накоплению органической массы, и образованию гумусового слоя. После этого некоторые виды выпадают, но и появляются новые.

Отмечается доминирование в демутационном процессе ивы Шверина (Salix schwerinii) и тополя Максимовича (Pоpulus maximоvichzii, Henri), из травянистых видов — полынь обыкновенная ^^tem^ia vu^ris), одуванчик лекарственный ^гохбо^ offic^le) и клевер розовый (Trifolium hybridium L.).

Видовое разнообразие растительности на площадке, заложенной на фоновой территории, насчитывает 46 видов, что ровно в два раза превышает количество видов на отвале 50-летнего возраста. Здесь выявлено 16 видов древесной растительности, 7 кустарниковой и 23 травяной. Стоит отметить, что почвенно-растительный покров здесь более разнообразный, большинство видов не встречается в зоне воздействия предприятия.

Такое протекание процессов самозарастания объясняется низким содержанием органической части в субстрате и его неблагоприятными физико-механическими характеристиками. В основном почвогрунты состоят из каменисто-песчаной смеси, в результате чего влага в субстрате не задерживается, соответственно это является причиной отсутствия необходимого для произрастания растительности водного режима.

На основе анализа полученных данных выделены узловые растительные сообщества и построен сукцессионный ряд узловых фитоценозов самовосстановления растительности на по-

родных отвалах ОАО «Корфовский каменный карьер» (рис. 3). Построение сукцессионного ряда позволяет наиболее наглядно представить процессы изменения одних сообществ другими, для последующего анализа полученной информации.

Первая стадия демутационных процессов является основой сукцессионного ряда - это разнотравно-бобовое и злаково-разнотравное сообщества. Выявлено, что на смену травяного сообщества с преобладанием бобовых культур приходит кустарниковое с преимуществом ольхи пушистой (Alnus hirsuta, Turcz.), а в случае с наличием злаковых отмечено превосходство ивы Шверина (Salix schwerinii). Кроме этого, выявлена смена кустарника в первом случае молодым березняком и смешанным древесно-кустарниковым сообществом во втором.

Очевидно, что нет четкой последовательности в смене стадий сукцессионного ряда. Появление того или иного вида в фитоценозе зависит от природы переноса семян, имеющего место в определенное время года или же для этого необходимы другие определенные условия природной среды. Но, тем не менее, следует особо отметить полное отсутствие хвойного самосева, что свидетельствует о том, что процесс восстановительной сукцессии данных условиях проходит точку бифуркации уже на ранней стадии своего развития [3].

Рис. 3. Сукцессионный ряд узловых фитоцеиозов самовосстановления растительности на породных отвалах

Известно, что по длительности сукцессии подразделяются на кратковременные (частные), вековые (общие) и филоцено-генетические (эволюция фитоценозов). Все перечисленные типы смен очень тесно сплетаются друг с другом и накладываются один на другой. Смена хвойно-широколиственных лесов - смешанными широколиственными лесами является примером кратковременной (частной) сукцессии, которая характерна для исследуемой территории. Восстановление первичной структуры лесного растительного сообщества будет происходить в другом масштабе времени в результате вековой (общей) сукцессии.

Выводы

1. Определяющее развитие минерально-сырьевого комплекса выдвигает на первый план проблему локализации неизбежных нарушений биоты во времени и пространстве за счет создания условий для развития восстановительных сукцессий фитоценозов.

2. Площадь техногенного поражения естественной биоты при работе добывающего предприятия намного превышает площадь земельного отвода предприятия.

3. Методология рекультивации нарушенных горными работами территорий должна строиться на основе инициирования процессов естественного самовосстанволения фитоценозов.

4. Интенсивность и направление развития демутационных процессов в зоне техногенного поражения биоты определяются наличием источника и механизмами переноса семян эдифи-каторной группы видов растительного сообщества.

5. Сложное многовидовое сообщество восстанавливается за счет развития сукцессионного ряда узловых фитоценозов, но в результате бифуркации процесса восстановления первичной биоты естественным путем на уровне кратковременной сукцессии не происходит.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л. И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. М.: На-учтехлитиздат, 2003, 262 с.

2. Галченко Ю.П., Бубнов М.Б., Озарян Ю.А. Экологические аспекты развития природно-технических систем освоения полезных ископаемых в ус-

ловиях Дальнего Востока. // Экологические системы и приборы - 2013. — №7. - с. 25-32.

3. Фуряев В. В. Роль пожаров в процессе лесообразования. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996. - 253 с. 1г.ц=1

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Галченко Юрий Павлович - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской экологической Академии, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, БсЫ:гек33@таП.ги.

UDC 622.502

EXPERIMENTAL RESEARCH OF DEMUTATION OF PLANT COMMUNITIES IN THE ZONE OF TECHNOLOGICAL IMPACT OF MINES*

Galchenko Y.P., Doctor of technical Sciences, Professor, correspondent member of the Russian ecological Academy, senior researcher, Institute of comprehensive exploitation of mineral resources RAS, Moscow, Russia, schtrek33@mail.ru.

The paper presents the results of field studies of tendencies in plant communities self-regeneration processes in the zone of their technogenic disturbance and on the surfaces of rock spoil heaps. It has been established that in the former case the key factor determining the nature of development of self-regeneration processes is the correspondence of the width of the transitional community to the length of transfer of seeds of primary plant community edificatory and assectator species. In the latter case, the key self-regeneration succession sere passes the bifurcation point at a very early stage of its development.

Key words: technogenic disturbance of the biota, plant community self-regeneration, technology-induced neoformations, key succession seres, second-growth communities.

REFERENCES

1. Trubeckoj K.N., Galchenko Ju.P., Burcev L.I. Jekologicheskie problemy osvoenija nedr pri ustojchivom razvitii prirody i obshhestva (Environmental problems of the development of mineral resources in the sustainable development of nature and society). Moscow: Nauchtehlitizdat, 2003, 262 p.

2. Galchenko Ju.P., Bubnov M.B., Ozarjan Ju.A. Jekologicheskie aspekty razvitija pri-rodno-tehnicheskih sistem osvoenija poleznyh iskopaemyh v uslovijah Dal'nego Vostoka (Ecological aspects of natural-technical systems mineral development in conditions of the Far East) // Jekologicheskie sistemy i pribory - 2013. — No7. - P. 25-32.

3. Furjaev V.V. Rol' pozharov v processe lesoobrazovanija (The role of fires in the process of lesoobrazovaniya). Novosibirsk: Nauka. Sibirskaja izdatel'skaja firma RAN, 1996. - 253 p.

*

The work was performed with financial support of the Programme of the RAS Presidium, P-44.