Роль факторов, лимитирующих скорость и направленность почвенных и биологических процессов в техногенных ландшафтах

его активность зимой. Все это позволяет признать необходимость исследования эмиссии метана в динамике на протяжении всего года. Наши исследования касались только теплого периода и за этот период на всех исследуемых пунктах отмечается увеличение эмиссии метана в мае и сентябре, по профилю наибольшая эмиссия метана отмечается на осоково-сфагновой топи, затем следует низкий рям и высокий рям (рис. 5). Незначительный поток метана из высокого ряма объясняется мощностью залежи. Как уже отмечалось выше, данная залежь достигает глубины 75

см, а основная масса метана образуется в более глубоких горизонтах.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Активность метаногенеза и зоны его проявления определяются ботаническим составом торфов, слагающих торфяную залежь, и расположением оли-готрофных болот в ландшафте.

2. Динамика процесса метаногенеза и эмиссия метана хорошо проявляются на протяжении теплого периода года и зависит от УБВ и гидротермических условий.

Литература

1. Граб М. и др. Киотский протокол. Анализ и интерпретация. М., 2001.

2. Морозов В.И. Киотский протокол и предложения по позиции МПР России // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2002. № 4.

3. Болин Б. Какое количество С02 остается в атмосфере? // Парниковый эффект, изменения климата и экосистемы. Л., 1989.

4. Augustin J., Merbach W., Schmidt W., Reining E. // Angew. Bot. 1996. № 70. P. 45-51.

5. Inoue G., Takahasi Y., Maksyutov S., Sorokin M., Panicov N. // Proceedings of the Fifth Symposium on the Joint Siberian Permafrost

Studies between Japan and Russia in 1996. P 34-40.

6. Sebacher A., Harris R.S., Burtlett K. et al. // Tellus S. 1986. V. 38. P. 1-10.

7. Bartlett D.S., Burtlett K.B., Hartman J.M. et al. // Global biogeochemical cycles. 1989. V. 3. № 4. P 363-374.

8. Лисс О.Л., Абрамова Л.И., Аветова H.A. и др. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение. Тула, 2001.

9. Лисс О.Л., Березина H.A. Болота Западно-Сибирской равнины. М., 1981.

10. Steinmann Ph., Shotyk W. // Fresenius J. Anal. Chem. 1996. P 709-713.

11. Современные физические и химические методы исследования почв. М., 1987.

12. Омелянский В.Л. О метановом брожении клетчатки // Избр. тр. 1953. Т. 1. № 55.

13. Barker H.A. Bacterial fermentation. N.Y., 1956.

14. Заварзин Г.А. Литотрофные микроорганизмы. М., 1972.

15. Gottschalk G. Bacterial metabolism. Springer-Verlag, N.Y., 1986.

16. Ferry J.G. Methanogenesis. N.Y., L., 1993.

17. Wahlen M. // Annu. Rev. Earth and Planet. 1993. V. 21. P. 407-426.

18. Айлрих Б., Бернс С.Ж., Штайнман Ф. // II Междунар. конф. «Сокращение эмиссии метана». Новосибирск, 2000.

19. Славнина Т.П., Инишева Л.И. Биологическая активность почв Томской области. Томск, 1987.

20. Головченко А.В., Добровольская Н.Г., Инишева Л.И. // Почвоведение. 2002. № 12. С. 1468-1473.

21. Сирин А.А., Нильсон М., Шумов Д.Б. и др. // Докл. Академии наук. 1998. Т. 361. № 2. С. 1-4.

22. Ефремова Т.Т., Бажин Н.М. // Сиб. экол. журн. 1998. № 6. С. 563-570.

23. Махов Г.А., Бажин Н.М., Ефремова Т.Т. // Химия в интересах устойчивого развития. 1999. № 2. С. 619-622.

24. Бажин Н.М. // II Междунар. конф. «Сокращение эмиссии метана». Новосибирск, 2000.

25. Поздняков А.И., Шеин Е.В., Паников Н.С., Девин Б.А., Назарова Т.В. // Физика почв. 2003. № 6. С. 697-700.

26. Дедыш С.Н., Паников Н.С. // Микробиология. 1997. Т. 66. № 4. С. 569-574.

27. Weyhenmeyer C.E. // Global biogeochemical cycles. 1999. V. 13. № 4. P. 1079-1090.

28. Дулов Л.Е. // Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии. Пущино, 2000. С. 85-86.

29. Сидоров Д.Г., Берзенков И.О., Беляев А.С., Миллер Ю.М., Иванов М.В. // Микробиология. 1998. Т. 67. № 2. С. 255-260.

30. Гальченко В.Ф. Метанотрофные бактерии. М., 2001.

31. Panicov N.S., Dedysh S.N. // Global biogeochemical cycles. 2000. V. 14. № 4. P. 1071-1080.

32. Naumov A.V. // West Siberian Peatlands and Carbon Cycle: Past and Present. 2001. P. 110-113.

УДК 504.54.05

О.И. Глебова

РОЛЬ ФАКТОРОВ, ЛИМИТИРУЮЩИХ СКОРОСТЬ И НАПРАВЛЕННОСТЬ ПОЧВЕННЫХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ

Кузбасская государственная педагогическая академия

Угольные разрезы Кузбасса характеризуются весь- земном. Открытый способ добычи полезных ископа-

ма высоким коэффициентом вскрыши, что обуслов- емых сопровождается высокими темпами образова-

лено более низкой себестоимостью угля при откры- ния нарушенных земель, общая площадь которых в том способе разработки месторождения, чем при под- Кузбассе составила около 100 тыс. га [1], из них 55.3

тыс. га разработкой каменноугольных месторождений [2]. В результате нарушения земель происходит замена природных ландшафтов техногенными.

Познание закономерностей регенерации почвеннорастительного покрова техногенного ландшафта и влияния экологических факторов на эти процессы позволит прогнозировать скорость и направленность сингенетичных почвенно-биологических процессов. В качестве объектов были выбраны разновозрастные отвалы Байдаевского и Листвянского угольных разрезов, расположенных в пределах одной геоморфологической структуры (Кузнецкая котловина) и био-климатической зоны (лесостепь). В настоящий момент на отвалах вскрышных пород сформированы различные типы эмбриоземов и растительные сообщества определенных стадий сукцессии. Благодаря одновременному, взаимообусловленному и взаимозависимому развитию почвенно-генетических и биологических процессов развитие фаз почвообразования и смену стадий сукцессии растительных группировок принято считать сингенетичными [3].

Существование экосистемы, ее функционирование, выраженное в смене стадий сукцессии [4] (пионерная группировка - простая растительная группировка -сложная - замкнутый фитоценоз) и фаз почвообразования эмбриозема [3, 5] (инициальная - органо-акку-мулятивная - дерновая - гумусово-аккумулятивная), зависит от комплекса определенных условий и совокупности необходимых элементов среды, с которыми она находится в неразрывном единстве. При исследовании техногенных ландшафтов изучались значимые абиотические (климатические, физические) и биотические (биологические) факторы среды, которые определяют направленность и скорость развития почвенно-биологических процессов. Специфичность образования техногенного ландшафта определила приоритет влияния абиотических факторов в регенерации экосистем: особенность геологического строения естественной морфоструктуры, которая подверглась техногенному преобразованию; особенность техногенного неорельефа и состав новообразованных пород; гидротермические условия среды.

Наиболее важными биологическими факторами, контролирующими развитие растительного покрова в техногенном ландшафте, являются близость ненарушенных экосистем и фитоценотические особенности естественной растительности.

Байдаевский и Листвянский угольные разрезы располагаются в пределах Кузнецкой котловины, которая в современной морфоструктуре представляет собой крупный сложно построенный синклинорий [6], расположенный в пределах Кузнецко-Салаирской геоморфологической провинции, и выражена в рельефе низкогорными, холмисто-увалистыми формами. Они сложены карбонатными толщами, песчаниками, алевролитами, аргиллитами, суглинистыми отложениями, чередующимися с угольными пластами. Поскольку

при разработке месторождения карьерным способом происходит выборка угля из пластов с постепенным углублением, то на дневную поверхность экспонируются глубинные породы, которые и образуют каркасную основу для техногенного ландшафта. В результате формируются отвально-карьерные и провально-отвальные комплексы [7] с характерными разнокачественными элементами неорельефа и с хаотичной смесью вскрышных и вмещающих пород. Это приводит к созданию контрастных водных и тепловых режимов.

Гидротермические условия в районе исследований благоприятны для развития процессов самовосстановления экосистем. Умеренно континентальный климат характеризуется продолжительной морозной зимой и коротким жарким летом, среднегодовое количество осадков от 400-500 мм (Листвянский угольный разрез) и до 600 мм (Байдаевский угольный разрез). Сумма температур выше 10 °С находится в пределах 1600 - 1800 °С, среднегодовые температуры от

0 до 0.5 °С. Число дней без заморозков и с температурами выше 10 °С составляет 110 - 115, коэффициент увлажнения колеблется от 1.1 - 1.4 в центральной части лесостепной зоны до 1.4 - 1.7 восточной части, пограничной с зоной смешанных и лиственных лесов предгорий [8]. Но повышенная расчлененность техногенного неорельефа и хаотическая смесь пород способствуют высокой мозаичности гидротермических условий. По этой причине в таких ландшафтах долго сохраняется фрагментарность растительного покрова и, следовательно, ассинхронность смены стадий сукцессий. На одинаковых по возрасту отвалах могут развиваться эмбриоземы с сингене-тичными им растительными группировками различных стадий сукцессии (табл. 1).

Дифференциация гидротермических условий приводит и к дифференциации процессов развития почв и растительных группировок в зависимости от крутизны и экспозиции склона. Наиболее благоприятные условия складываются на горизонтальной поверхности и склонах крутизной не более 10° северной и восточной экспозиции (табл. 2).

Смена стадий сукцессии от пионерной растительности на инициальном эмбриоземе до замкнутой растительной группировки на гумусово-аккумулятивном на горизонтальных и слабонаклонных поверхностях северных экспозиций происходит в прагматически приемлемое время - 20 лет [9]. Это свидетельствует об относительно благоприятных абиогенных условиях. На склоновых поверхностях скорость смены стадий сукцессии замедляется, поэтому здесь преобладает доля площадей экологически динамичных стадий сукцессии (пионерная растительная группировка на инициальном эмбриоземе и простая растительная группировка на органно-аккумулятивном эмбриоземе). Это объясняется тем, что склоновая поверхность способствует наибольшей гравитационной дифференциации

Таблица 1

Соотношение площадей эмбриоземов различных типов в зависимости от возраста отвала

Тип эмбриозема, его доля в %

Возраст отвала Инициальный Органо- аккумулятивный Дерновый Гумусово- аккумулятивный

Старый (более 20 лет) 1.8 16.5 59.7 22.0

Средневозрастной (10-20 лет) 5.6 52.5 39.2 2.7

Молодой (до 10 лет) 91.9 8.1 Нет Нет

Т аблица 2

Соотношение площадей эмбриоземов в зависимости от экспозиции склона и крутизны склонов

Характер Тип эмбриозема, его доля в %

поверхности Инициальный Органо- аккумулятивный Дерновый Гумусово- аккумулятивный

Г оризонтальная 17.9 29.2 42.1 10.8

Слабонаклонная (до 10 о) 21.4 41.4 30.2 7.0

Крутосклоновая (более 10 о) 45.0 55.0 Нет Нет

породы и в первую очередь смыву мелкозема. При увеличении содержания последнего возрастает вла-гоемкость субстрата [5]. Следовательно, из-за гравитационного выноса мелкозема запасы влаги на склоновых поверхностях уменьшаются и за счет стока атмосферных осадков, и за счет снижения водоудерживающей способности субстрата. Другая причина - в замедлении скорости сукцессии на склоновых поверхностях обусловлена их экспозицией. С ветроударных склонов в зимний период практически сдувается весь снежный покров. Это способствует глубокому промерзанию западных и южных откосов, а в летнее время наиболее на этих же склонах отмечается наиболее интенсивное нагревание. Все это определяет ксероморфизм и подчеркивает лимитирующее значение роли содержания в субстрате влаги. На крутых склонах, вне зависимости от экспозиции, темпы сукцессионных процессов ослаблены еще сильнее [10].

Хаотическая смесь пород отвалов, сформированная на техногенном этапе, со временем изменяется очень медленно [5]. По этой причине степень каменистости (по классификации Н.А. Качинского) породные отвалы следует относить к щебнистым. Это предопределяет их высокую и даже провальную водопроницаемость. Постепенное разрушение вмещающих пород (выветривание) ведет к некоторому уменьшению каменистости (рис. 1), но, как показывают исследования, в связи со специфичностью этого процесса [9] степень ксероморфности местообитания при этом снижается незначительно. Важным фактором, регулирующим влагонакопление в техногенном субстра-

те, является содержание в мелкоземе фракции физической глины. Присутствие мелкоземистого элювия глинистых пород с влагоемкостью 8-10 % обусловливает довольно большой влагозапас [11]. Появление растительности способствует закреплению мелкозема, уменьшению физической дезинтеграции обломков породы. Одновременно с увеличением содержания мелкозема и уменьшением количества камней в верхней части почвенного профиля возрастает и количество видов растений.

Биологическое освоение субстрата зависит от близости естественных экосистем, обеспечивающих количественный и качественный видовой состав зачатков и диаспор растений, поселяющихся на первичные экотопы. Отвалы Байдаевского и Листвянского разреза расположены в пределах Томь-Кондомского предгорного района [12]. Этот район является переходным от горных поднятий Салаира и Кузнецкого Алатау к равнинным степям котловины, т.е. от ковыльно-разнотравно-луговых степей до черневой тайги предгорий, участками проникающие на территорию Кузнецкой котловины. Типичной чертой окружающей растительности является сочетание формаций березовых и березово-осиновых лесов и суходольных лугов различной степени остепнения. Ассоциации суходольных лугов дают большое разнообразие вариантов, отличающихся друг от друга по определяющим видам растений, по соотношению лесных и степных форм и по мощности развития травостоя. В местах выпаса скота обильны сегетальные и рудеральные растения, которые первыми заносятся на техногенные

80 %

70 %

60 %

50 %

40 %

30 %

20 %

10 %

0 %

1 2 3 4

—ф— камни —— гравий —&— мелкозем —X— кол-во видов, % от общего числа видов

Рис. 1. Связь распределения содержания мелкозема с изменением количества видов в эмбриоземах разных типов:

1) инициальный эмбриозем, 2) органо-аккумулятивный эмбриозем, 3) дерновый эмбриозем, 4) гумусово-аккумулятивный эмбриозем

ландшафты. На пионерной стадии преобладают растения-анемохоры, у которых хорошо развито также вегетативное размножение. При благоприятных абиотических факторах (горизонтальное или слабонаклонное положение в рельефе, содержание камней не более 90 %, содержание мелкозема не менее 5 %, физической глины - от 4 до 8 %) на 4 - 5-й год растительные группировки переходят в следующую стадию сукцессии - простую растительную группировку на органно-аккумулятивном эмбриоземе.

Важными факторами, определяющими дальнейшее развитие почвенно-биологических процессов на этом этапе, являются синтез и накопление азотосодержащих соединений за счет доминирования в растительных группировках бобовых и микробных сообществ, способных к фиксации азота. Процессы минерализации и гумификации не развиты в связи с ограниченным числом видов микроорганизмов [5], поэтому органическое вещество скапливается на поверхности почвы. Появление подстилки - фактор, определяющий изменение гидротермических условий субстрата и способствующий накоплению дополнительного

количества влаги, что в дальнейшем повлияет на развитие растительных группировок более поздних стадий сукцессии. На стадии сложной растительной группировки в лесостепной зоне доминируют злаковые и злаково-бобовые сообщества, замкнутые растительные группировки представлены разнотравно-злаковобобовыми. Вследствие усложнения фитоценоза в нем появляются эдификаторы и субэдификаторы, определяющие направленность развития сообщества. Доминирование лесных видов способствует трансформации в сторону мелколиственных мезофильных лесов, увеличение разнотравно-луговых видов в сторону степных ценозов.

На начальных этапах развития почвенно-растительного покрова наиболее значимо влияние абиогенных факторов, определяющих экологическое состояние техногенного ландшафта, с переходом в метастабиль-ную фазу стадии сукцессии их роль становится малозаметной, и дальнейшее развитие зависит от фито-ценотических свойств растительных сообществ, сохраняющих черты, обусловленные литогенной и техногенной специфичностью субстрата.

Литература

1. Баранник Л.П. Эколого-биологические основы лесной рекультивации техногенных земель Кузбасса: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Новосибирск, 1991.

2. Овдеенко В.И. Устойчивое развитие угольной отрасли Кузбасса: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Барнаул, 2002.

3. Гаджиев И.М., Курачев В.М. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. Новосибирск, 1992.

4. Воронов А.Г. Геоботаника. М., 1973.

5. Андроханов В.А. и др. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. Новосибирск, 2004.

6. Файнер Ю.Б. Кузнецкая котловина // Алтае-Саянская горная область. М., 1969.

7. Рагим-заде Ф.К., Трофимов С.С., Щербатенко В.И., Баранник Л.П. Гипергенез и эволюция техногенного рельефа Кузбасса // Восстановление техногенных ландшафтов Сибири (теория и технология). Новосибирск, 1977.

8. Трофимов С.С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. Новосибирск, 1975.

9. Гаджиев И.М. и др. Стратегия и перспективы решения проблем рекультивации нарушенных земель. Новосибирск, 2001.

10. Трофимов С.С. и др. Рекультивация и почвообразование // Проблемы сибирского почвоведения. Новосибирск, 1977.

11. Куляпина Е.Д. Поглощающий комплекс в почвах техногенных ландшафтов (Южный Кузбасс): Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Новосибирск, 2002.

12. Куминова А.В. Растительность Кемеровской области. Новосибирск, 1950.