Динамика изменения состава и состояния элементов биоты в зоне техногенного воздействия горных предприятий

УДК 622.502 Ю.П. Галченко

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА И СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БИОТЫ В ЗОНЕ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Семинар № 10

Современный этап развития технократической цивилизации характеризуется постоянным ростом энерго- и ресурсопотребления, которые, в свою очередь, инициируют опережающее развитие минерально-сырьевого комплекса. Поэтому сегодня, как никогда ранее, актуальны вопросы обеспечения экологической безопасности применяемых геотехнологий [1].

Характер и структура воздействия любых типов горных предприятий на окружающую среду достаточно однотипны и приобретают следующие формы:

• полное уничтожение биоты экосистемы на территориях, отведенных под промышленные объекты, дороги, отвалы пустых пород, хвосто-хранилища, жилой поселок и другие элементы бытовой инфраструктуры;

• химическое и физическое загрязнение окружающей территории и поверхностных вод за счет выброса пыли, газов и химического изменения твердых отходов в отвалах и хвосто-хранилищах;

• изменение водного баланса территории за счет нарушения и загрязнения подземных и поверхностных водотоков;

• различные формы нарушения земной поверхности;

• различные типы антропогенной нагрузки (включая частичную вырубку

лесов) на окружающую среду вокруг места концентрированного проживания людей.

Степень экологической опасности этих факторов (а значит и уровень экологической безопасности данного производства) для конкретной экосистемы должна определяться через количественную оценку изменений в биоте экосистем, которая, в свою очередь, может быть получена путем натурных наблюдений за элементами биоты в зоне влияния добывающего предприятия с известными технологическими параметрами, масштабом производства и характером техногенного воздействия (грант РФФИ  06-05-64338а).

На данном этапе исследований выполнены работы по изучению особенностей изменения состояния фитоценозов в зонах техногенного влияния подземных добывающих предприятий, ведущих разработку месторождений жильного типа с отдельными участками большой мощности: рудники Нежданинский, Центральный, Восток-2 и Кочкарский, а также маломасштабные месторождения «Алданзолото». Как видно из перечисления, эти предприятия расположены в биомах криолитозоны и высокогорной лесотундры, а также в зоне широколиственных лесов Приморья и лесостепной зоне Южного Урала [2].

В методическом плане при проведении исследований были рассмотрены показатели количественных изменений состава и структуры фитоценозов экосистем, а также показатели качества и стабильности их развития в зонах техногенного воздействия добывающих предприятий.

Нежданинское золоторудное месторождение находится на территории Республики Саха (Якутия), в 260 км к востоку от п. Хандыга, являющегося центром Томпонского улуса, и в 800 км от г.Якутска. Экосистема района относится к биотопу среднегорной тундры с кустарниковыми зарослями из кедрового стланника. Эди-фикаторная синузия фитоценоза этой системы включает в себя ягель и кедровый стланник.В нижней части склонов и в поймах постоянных водотоков растёт лиственично-моховой и лиственично-тополёвый лес на основе одного вида-эдификатора - даурской лиственницы. За годы интенсивной эксплуатации рудника (годовая добыча достигала 500 тыс. т руды) состояние обоих видов фитоценозов заметно изменилось. В высокогорных участках доля кедрового стланника в проективном покрытии уменьшилась с 35 % до 15 % с повсеместным замещением его трёхъярусными сообществами из лиственных кустарников, кустарничков и мохово-лишайникового надпочвенного покрова. Из кустарников здесь наиболее характерна карликовая берёза, с примесью карликовой круглолистной ивы. Кустар-ничковый ярус представлен в основном голубикой, реже брусничником и морошкой.

Эти процессы по своему характеру аналогичны процессам общей «бореа-лизацией» флоры Севера в результате антропогенной трансформации первичных экосистем тундры и лесотундры. В зоне долинных лиственничных

лесов также зафиксировано техногенное нарушение их состояния, которое выразилось в сокращении общей сомкнутости лесостоя почти наполовину.

Аналогичные процессы изменения ярусности и структуры растительных сообществ выявлены при изучении техногенного изменения горных кедрово-широколиственных лесов в окрестностях нескольких рудников с разными сроками существования.

Вокруг промышленно-бытовой инфраструктуры каждого рудника сформировалась обширная зона сильного техногенного и антропогенного изменения первичного фитоценоза, которая достаточно четко ограничена по флангам водораздельными линиями горных хребтов. В среднем общая площадь этой территории составляет в каждом случае примерно 15-24 км2.

Методика наблюдений за современными фитоценотическими ландшафтами заключалась в маршрутном исследовании нарушенной части биотопа и в описании фитоэкологических профилей, заложенных через изучаемые участки биотопа. Были сделаны геоботанические описания лесной ассоциации и произведен подсчет подроста древесных пород из учетных площадок 2x50 м. Расстояния между профилями колебались от 2,5 до 4 км.

В качестве эталона коренного для данного региона растительного сообщества, развитие которого проходило только под влиянием естественных физико-географических процессов, приняты результаты геоботани-ческих исследований, проведенных здесь до начала строительства горного предприятия [1].

В результате комплексного воздействия антропогенных объектов на всей территории долины сформировался совершенно иной (по сравне-

Продолжительность воздействия, лет

1 - кедр корейский --------

2 • пихта чёрная и граб сероиелистный — — — -

3 - липа амурская и клён ложнозибольдов  —

4 берёза жё/ттая --------

5 - бархат амурский —  —

6 - клён моно

7 - орех манчжурский

8 • клён манчжурский

9 • сирень амурская

10 • ильм долинный

Рис. 1. Изменение во времени структуры видового состава хвойно-широколиственного леса

нию с первичным) растительный комплекс. В зоне прирусловой галечной полосы и первой надпойменной террасы на месте тополево-чозениевых насаждений развился лишь ольшаник из ольхи пушистой с небольшой примесью ивы. Высота деревьев 4-5 м. Трёхъярусный хвойно-широколист-

венный лес был замешен двухъярусным лиственным лесом.

Как показывает анализ структуры видового состава (рис. 1), смена типа леса на изучаемой территории связана не с полномасштабным изменением всего видового состава, а с изменением ценотического статута различных групп видов за счёт различных темпов изменения плотности популяций каждого из них.

Хвойные виды первого яруса эталонного леса (кривые 1 и 2) пол-

ностью утратили статут видов-эдифи-каторов и сократили своё присутствие до 6-8 % общего древостоя. Эту це-нотическую нишу заняли виды-ассектаторы эталонного фитоценоза (кривые 4, 5), что повысило статут части адвентивных видов (кривые 2, 3, 6), в то же время другая часть этой категории видов выпала из состава фитоценоза (кривые 7, 8, 9). В результате этих изменений сомкнутость полога сократилась почти в полтора раза и нишу адвентивных видов заняли такие светолюбивые растения, как вишня Максимовича, осина обыкновенная и клён зелёнокорый.

Кроме прямого изменения видового состава фитоценозов в зонах техногенного влияния горных предприятий протекают процессы скрытой деградации лесов, выражающиеся в

Рассояние, км

1. данные 1986 г.

Рис. 2. Изменение удельного показателя дефолиации (Кдф) на различном удалении от источника техногенных воздействий

постепенном развитии локальной дефолиации [3].

Обработка и анализ сканерных космических снимков района размещения железорудного Костомукшско-го ГОКа показали, что в результате долговременного и комплексного техногенного воздействия этого предприятия на тёмнохвойные лесные системы происходит накопление пол-лютантов как в почве, так и на листовых пластинках, что, в свою очередь, приводит к дисбалансу в поглощении растениями элементов питания и, как следствие, к потере яркозелёного цвета и интенсивному снижению общей фотосинтезирующей поверхности (опаду листьев и хвои) [3]. На рис. 2 показано изменение величины линейного коэффициента дефолиации (Кдф) на различном удалении от горного предприятия, определённое с разрывом в 13 лет (1986 и 1999 гг.). Из рисунка видно, что за указанный период времени средний уровень величины снижения фотосинтезирующих поверхностей первого яруса леса увеличился примерно в 2-2,2 раза только на расстоянии до 1,5 км. За-

тем в обоих случаях величина КдФ резко падает и в дальнейшем разница между кривыми практически исчезает. Такой характер изменения величины дефолиации связан, видимо, с тем, что общая техногенная нагрузка, закономерно уменьшаясь по мере удаления от источника воздействия, на расстоянии от него примерно в 1,5 км достигает величины, соответствующей границе диапазона толерантности основных лесообразующих видов, и перестаёт оказывать негативное влияние на них.

Техногенное воздействие добывающих предприятий не только разрушает видовую структуру фитоценозов и порождает скрытую деградацию видов с последующей локальной дефолиацией лесов, но и снижает стабильность развития каждого отдельного вида и фитоценоза в целом.

Для определения степени нарушения стабильности развития фитоценозов был использован метод оценки на основе экспериментального определения коэффициента флуктуирующей асимметрии (ФА) для средообразующих видов экосистемы [4].

Для изучения этого влияния были проведены замкнутые геоботаниче-ские профили вокруг источника техногенного воздействия (в нашем случае - земельный отвод рудника) на различном расстоянии от него. В качестве объекта исследования была выбрана берёза жёлтая - как основной вид-эдификатор существующего лесного сообщества. Результаты измерений приведены на рис. 3, из которого хорошо видно, что только на расстоянии около 2000 м от рудника показатель стабильности развития данного вида (кривая 1) приближается к норме (кривая 2).

Совершенно аналогичные результаты были получены авторами работы [4] при изучении техногенного изменения экосистем Алданского нагорья. В результате этих исследований (таблица) было установлено, что показатель стабильности развития изученных видов не только возрастает обратно пропорционально удалению от источника воздействий, но и изменяется в зависимости от вида инфраструктурного объекта (рудник, обогатительная фабрика, отвал пустых пород).

Полученные результаты показывают, что в экосистемах, испытывающих экологическое воздействие, общее

Рис. 3. Изменение коэффициента флуктуирующей асимметрии

направление техногенных смен видового состава противоположно ходу естественной сукцессии. По мере увеличения непериодических нагрузок, экосистема как бы продвигается от климаксного (фонового) состояния к состоянию, аналогичному стадии пионерного сообщества при развитии демутационных сукцессий. Это движение сопровождается снижением общего биологического разнообразия, развитием морфологических изменений видов, падением продуктивности с последующим упрощением

структуры биоценозов и нарушением баланса между продукционными и деструкционными процессами. Последовательную смену стадий в процессе такой трансформации экосистем можно интерпретировать, как фазы техногенной сукцессии:

• фаза угнетения видов;

• фаза выпадения чувствительных видов;

• фаза структурных перестроек экосистемы;

• фаза разрушения экосистемы.

Подобная структура процесса антропогенной (техногенной) деградации в принципе характерна для любых предприятий, нарушающих состояние природной среды, но для горных предприятий, особенно ведущих подземную разработку месторождений, имеется целый ряд особенностей развития этих процессов, как по времени, так и по месту. Главная

Интегральный показатель флуктуирующей асимметрии (ФА) листа растений в районе среднего Алдана

Долина рек Место сбора Год Вид п М±т

Орто-Сала Отвалы 1996 Береза плосколистная Ива корзиночная 100 77 0,062 ± 0,003 0,090 ± 0,004

Большой Куранах Отвалы 1996 Ива корзиночная Дюшекия кустарниковая 100 89 0,070 + 0,003 0,070 ± 0,003

Малый Куранах Отвалы Рудник ЗИФ 1997 Береза плосколистная Ива корзиночная Береза плосколистная Береза плосколистная 100 90 100 100 0,051 + 0,003 0,091 + 0,003 0,070 + 0,003 0,066 ±0,004

Контроль 1997 Береза плосколистная Ива корзиночная Дюшекия кустарниковая 100 100 60 0,046 + 0,003 0,053 + 0,003 0,032 ± 0,002

Селигдар Контроль 1996 Береза плосколистная Ива корзиночная 100 100 0,051+0,003 0,059 ± 0,003

из этих особенностей заключается в том, что у добывающих предприятий существует два, разъединённых в пространстве техногенных объекта, оказывающих воздействие на биоту природных экосистем - поверхностный комплекс и техногенно изменённые

1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. - М.: Научтехлитиздат, 2003. - 261 с.

2. Галченко Ю.П. Изменение состояния элементов экосистем при подземной разработке жильных месторождений // Экологические системы и приборы. - 2001. - № 10. - С. 26-31.

3. Калабин Г.В., Галченко Ю.П. Методология количественной оценки нарушен-

недра. Зоны влияния этих объектов могут быть самостоятельными или частично накладываться друг на друга, а время действия некоторых из свойственных им техногенных факторов намного превышает длительность периода отработки месторождения.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ности территорий по данным сопряженного дистанционного и наземного мониторинга и её апробация // Экологические системы и приборы. - 2007. - № 2. - С. 20-26.

4. Шадрина Е.Г., Вольперт Я.П., Данилов В.А. и др. Биоиндикация воздействия горнодобывающей промышленности на наземные экосистемы Севера. - Новосибирск: Наука, 20003. - 107 с. ШИН

— Коротко об авторе ----------------------------------------------------------------

Галченко Ю.П. — доктор технических наук, ИПКОН РАН.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 10 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.А. Ельчанинов.