Возможность прогнозирования развития фитоценозов

Исследования по экологическим основам биологической рекультивации научным коллективом ведутся свыше 45 лет.

На Урале имеются разновозрастные техногенные образования (от десятков до сотен лет) с восстановленными растительным и почвенным покровами как при естественном их восстановлении, так и при биологической рекультивации, проведенной по нашим рекомендациям свыше 4-5 десятков лет назад.

В настоящее время впервые появилась уникальная возможность обобщить результаты длительного мониторинга формирующихся фитоценозов на разнотипных отвалах при самозарастании и оценить 40-50-летний опыт их биологической рекультивации в разных зонально-климатических условиях (южная подзона, таежная и лесостепная зоны).

Формирование фитоценоза мы понимаем как развитие растительной группировки от стадии поселения отдельных экземпляров до группировки с определенной степенью сомкнутости и ясно выраженными фитоценотическими отношениями независимо от динамического статуса фитоценоза.

В формировании сообществ на нарушенных промышленностью землях с достаточно интенсивным процессом самозара-стания выделяются следующие стадии сингенеза: экотопическая группировка (проективное покрытие 0,1 %); простая группировка (0,1-5 %); сложная группировка (6-50 %); фитоценоз (проективное покрытие более 50 %) [12, с. 15].

В нашем случае формирование фитоценоза — это и процесс заселения растениями незанятых территорий [13, с. 120], которые изначально лишены диаспор растений. Формирование растительности на подобных территориях идет по типу первичных сукцессий по А. П. Шенникову [7, с. 27]. Это автогенная сукцессия формирования растительности на новых субстратах, где растительность ранее отсутствовала [14, с. 77].

Формирование фитоценозов на золоотвале Верхнетагильской ГРЭС. Результатом 40-летних наблюдений явилась разработка схем формирования фитоценозов на золоотвалах, построенных на основе реальных датированных геоботанических описаний в зависимости от экотопа.

Через 10 лет после проведения биологической рекультивации на золоотвале Верхнетагильской ГРЭС (ВТГРЭС) наблюдалось разнообразие экотопов, которые можно объединить в следующие группы (рис. 3):

I. Нерекультивированная территория:

1а — исходный экотоп сухой золоотвал, «чистая» зола;

Эко-

ТОП

Возраст, лет

5

10

15-25

I

а

Экотопическая бсскильницсвая или разнотравная растительная группировка (ЭГ)

Простая растительная группировка (ПГ)

—>—>

Заросли вейника с рединой ив и берез (Ф)

Густые заросли ив с примесью берез и осин (Ф)

б

ЭГ:

  • - водорослево-моховая;
  • - бескильницевая;
  • - разнотравно-злаковая

ПГ:

  • - разнотравнозлаковая;
  • - злаково-разнотравная

Сложная растительная группировка (СГ):

  • - злаковая;
  • - разнотравно-злаковая;
  • - бобово-злаковая

—>—>—>—>

Щучковый луг с подростом берез пушистой и повислой, ив (Ф)

Закустаренный щучковый луг (Ф)

Клеверо-мятликово-овсяницево-щучковый луг (Ф)

в

Одиночные островки растительных группировок гидрогигрофитного типа

—>—>

Различные варианты прибрежной растительности

II

а

Культурфитоценоз + сорняки-апофиты

СГ:

  • - высокотравно-злаковая;
  • - разнотравно-злаковая

с большой долей культурных видов

Разнотравно-злаковый фитоценоз с подростом древесных

—>—>

Лесной фитоценоз с достаточно выработанными древесным, кустарниковым, травянистым и моховым ярусами (Ф)

б

ПГ:

- злаково-разнотравная с древесными

СГ:

  • - разнотравно-злаковая,
  • - злаково-разнотравная со

всходами и подростом деревьев и кустарников

Лесной фитоценоз: заросли древесных со слабовыработанным травянистокустарниковым ярусом

—>—>

Лесной фитоценоз с ясно выраженными древесным, кустарниковым, травянистым и моховым ярусами (Ф)

в

ЭГ:

- разнотравная

ПГ:

  • - разнотравная;
  • - разнотравнозлаковая;
  • - всходы древесных

СГ:

  • - разнотравная со всходами древесных;
  • - разнотравно-злаково-красноовсяницевая;
  • - массовые всходы и подрост древесных

—>—>

Заросли лиственных пород со слабовыработанным травянистокустарниковым ярусом,сильной замшслостью (Ф)

Рис. 3. Схема формирования фитоценозов на золоотвале ВТГРЭС:

ЭГ — экотопическая растительная группировка (проективное покрытие поверхности золоотвала растениями 0,1 %);

ПГ — простая растительная группировка (0,1-5 %); СГ — сложная растительная группировка (6-50 %);

Ф — фитоценоз (более 50 %)

  • 16 — умеренное переувлажнение, «чистая» зола, благоприятные условия заноса семян;
  • 1в — остаточные понижения, постоянно или периодически затопляемые водой (талые воды, фильтрация из золоотвала и др.).

II.Первично рекультивированная территория с полосным нанесением грунта:

Па — зола с нанесением грунта и посевом многолетних трав;

Пб — зола с нанесением грунта;

Пв — «чистая» зола (пространства между полосами с грунтом).

На участках «чистой» золы на начальных этапах при достаточном увлажнении субстрата формируются бескильницевые группировки (Puccinellia distans, Р hauptiana N. Krecz.). На участках самозарастания рекультивированной территории на полосах грунта формируются злаково-разнотравные растительные группировки с преобладанием Elytrigia repens, Роа pratensis, Deschampsia cespitosa (L.) Beauv., Artemisia vulgaris L. На межполосном пространстве на «чистой» золе формируются более обедненные по видовому составу, разреженные растительные группировки с высоким обилием Melilotus officinalis (L.) Pall, и M. albus и значительным участием Deschampsia cespitosa и Festuca rubra L. Отмечается появление подроста древесных и кустарниковых растений.

Через 35 лет на «чистой» золе (1а) сформировались заросли Calamagrostis epigeios с незначительным участием других видов с рединой Salix и Betula и очень густые заросли Salix (6 видов) с примесью Betula pendula, В. pubescens и Populus tremula. При благоприятном увлажнении (16) формирование сообществ ускоряется. На данной территории в течение 10 лет формируются щуч-ковый луг (доминант Deschampsia cespitosa), закустаренный щуч-ковый луг и клеверно-мятлико-щучковый луг (Amoria repens, Роа trivial is). Везде наблюдается развитие мохового покрытия (общее проективное покрытие (ОПП) составляет 20-40 %). Около заполненных водой понижений (1в) формируются разные варианты прибрежной растительности.

На первично рекультивированных территориях на полосах с нанесенным грунтом при посеве многолетних трав (Па) в первые годы частично осуществляется их скашивание. В результате за 30 лет сформировались разнотравно-злаковые и разнотравные растительные сообщества с рединой Pinus sylvestris L. и Betula pendula. Деревья, разрастаясь, усиливают свою эдификаторную роль. На полосах с грунтом без посева трав (Пб) формирование лесных фитоценозов ускоряется, так как исключается скашивание, замедляются задернение поверхности и формирование травянистых сообществ лугового типа.

Следует учесть, что завезенный грунт содержал определенный набор диаспор видов именно лесных фитоценозов. В результате формируется смешанный лес с доминированием Pinus sylvestris, реже Betula с преимуществом Betula pendula.

На «чистой» золе между полосами с нанесением грунта с задержкой в 5-10 лет формируются лесные сообщества из сложного соотношения лиственных пород — Betula с примесью Salix и Populus tremula. Травянисто-кустарниковый ярус слабо выработан. Вероятно, формирование этих фитоценозов связано с поступлением семян с соседних, ранее заросших полос с грунтом. Естественно, что происходит улучшение свойств золы за счет попадания грунта с полос в результате водной и ветровой эрозии, как и обратный процесс — занос золы ветром на полосы грунта.

На вторично рекультивированной территории (в середине 90-х гг. XX в.) проведены раскорчевка деревьев и кустарников, сплошное нанесение слоя торфа, посев многолетних трав. При использовании комплекса органических и минеральных удобрений созданы продуктивные пастбищно-сенокосные угодья. Оценка опыта биологической рекультивации показала, что вторично рекультивированная территория ежегодно расширяется и составляет к настоящему времени более 60 га продуктивных сенокосных угодий (урожай сена 10-25 ц/га).

Проведенные наблюдения дают возможность оценить опыт биологической рекультивации золоотвала с полосным нанесением грунта и посевом многолетних трав: достигается стабилизация зольного субстрата за счет полос грунта, что приводит к уменьшению и даже прекращению пыльных бурь.

Важным моментом следует признать некоторое улучшение водно-физических и агрохимических свойств золы за счет смыва грунта с полос на межполосное пространство с «чистой» золой. Посев многолетних трав и последующее их скашивание ускоряют озеленение полос с грунтом, но задерживают вселение деревьев и кустарников и формирование лесных фитоценозов.

Биологическая рекультивация золоотвала с полосным нанесением грунта первоначально (3-5 лет) выполняет санитарно-гигиеническую роль. В последующем на данной территории наблюдается формирование лесных фитоценозов, а при вторичной рекультивации возможно создание продуктивных кормовых угодий.

Формирование фитоценозов на золоотвалах Южноуральской ГРЭС. При изучении формирования растительности на золоотвалах Южноуральской ГРЭС (ЮУГРЭС), расположенных в лесостепной зоне, были выделены следующие экотопы: 1 — «чистая» зола с покрытием слоем черноземной почвы и посевом многолетних трав; 2 — «чистая» зола без покрытия (рис. 4).

Изучение трансформации растительности на золоотвалах ЮУГРЭС показало, что после проведения биологической рекультивации сразу формируются продуктивные и хозяйственно ценные сообщества с преобладанием высеянных видов: Onobry-chis arenaria (Kit.) DC., Medicago media Pers., Bromopsis inermis (Leyss.) Holub. Отсутствие ухода за посевами, а также их вытаптывание и стравливание скотом при выпасе ускорили распад и деградацию культурфитоценозов. В дальнейшем за 10-15 лет произошло постепенное вытеснение культурных видов (особенно бобовых) дикорастущими. Подсеяный позднее, через 10 лет после первого посева, Agropyron cristatum (L.) Beauv. успешно расселяется по золоотвалу, частично внедряясь в сообщества на «чистой» золе. Формирование растительных сообществ идет по пути сближения с луговыми степями.

Исследования, проведенные через 35 лет после биологической рекультивации, показали, что на рекультивированном золоот-вале сформировался разнотравно-полынно-злаковый фитоценоз.

  • 1966
  • 1970
  • (5 лет)

Год наблюдений (возраст)

  • 1964
  • 1980
  • (15 лет)
  • 1990
  • (25 лет)
  • 1999
  • (35 лет)
Схема формирования фитоценозов на золоотвалах ЮУГРЭС в зависимости от экотопа [15, с. 11]

Рис. 4. Схема формирования фитоценозов на золоотвалах ЮУГРЭС в зависимости от экотопа [15, с. 11]

Из злаков преобладают Agropyron cristatum, Elytrigia repens и Bromopsis inermis, местами сохранившийся за счет вегетативного размножения; из разнотравья — Euphorbia virgata Waldst. et Kit., Artemisia dracunculus L. Трансформация культурфитоценозов сопровождается их ксерофитизацией и идет по пути формирования травянистых сообществ, приближающихся к луговым степям с преобладанием Agropyron cristatum (на части золоотвала, не подверженной выпасу) и Роа pratensis.

На участках самозарастания «чистой» золы формирование растительного покрова задерживается на 10-15 лет, идет медленно — от простых несомкнутых разнотравно-полынных растительных группировок, в состав которых входят наиболее устойчивые к произрастанию на зольном субстрате виды местной флоры (Artemisia dracunculus, A. campestris L., Achillea nobilis, Potentilla bifurca L. и др.), среди которых много сорно-рудеральных (Artemisia absinthium, Berteroa incana, Erysimum cheirantoides L.), к более сложным по видовому составу разнотравно-полынным фитоценозам.

Через 35 лет на «чистой» золе формируется разнотравно-полынно-злаковый фитоценоз с преобладанием Festuca pseudovina Hack, ex Wiesb., Роа pratensis, Calamagrostis epigeios, Artemisia dracunculus.

Сравнение одновозрастных исследованных растительных сообществ показало, что на золе сформировались обедненные по видовому составу, разреженные и менее ценные в хозяйственном отношении растительные сообщества, чем на золе с покрытием почвой.

Формирование фитоценозов на нарушенных землях открытых угольных разработок Челябинского угольного бассейна. Длительный мониторинг формирования растительности (более 50 лет) позволил составить обобщенную схему формирования растительных сообществ на нарушенных землях открытых угольных разработок Челябинского угольного бассейна (ЧУБ) (лесостепная зона) в зависимости от свойств субстрата (рис. 5) [16, с. 13]. Подробная характеристика пород и их классификация

Группы пригодности пород

Свойства субстрата

Непригодные

Сильнокислый и засоленный

Непригодные с примесью малопригодных

Кислый и слабокислый, сильно-засоленный

Малопригодные с примесью непригодных

Слабо-и средне-засоленный, слабокислый, нейтральный

Малопригодные с примесью потенциально плодородных

Незасоленный, слабокислый, нейтральный

РЗК

Злаково-разнотравные и разнотравные растительные группировки

Разнотравно-злаково-кохисвыс растительные группировки

Возраст участков, лет

1-5

6-10

11-20

21-30

30-40

50 и старше

Растительность отсутствует

Разнотравно-злаково-кохиевые растительные

группировки(РЗК)

Злаково-разнотравные и разнотравные растительные группировки галофитного типа

Единичные деревья и кустарники (береза, осина, ива)

Злаково-разнотравные и разнотравные растительные группировки галофитного типа

| Разнотравно-злаковые и злаково-разнотравные растительные сообщества

Единичные деревья и кустарники, лесные фитоценозы аллейного и паркового типа (береза, осина, ива)

Разнотравно-злаковые растительные сообщества Злаково-разнотравные растительные сообщества

Разнотравно-злаково-вейниковые растительные сообщества (I, II, III, IV)

Единичные деревья и кустарники. Лесные фитоценозы аллейного и паркового типа (береза, осина, ива)

Рис. 5. Схема формирования растительности на нарушенных землях ЧУБ:

I - разнотравно-вейниковые; II - разнотравно-овсяницево-вейниковые;

III - разнотравно-мятликово-вейниковые; IV - разнотравно-критезоно-вейниковые по степени пригодности для биологической рекультивации и, следовательно, для произрастания растений приведены в работе Т. С. Чибрик[17, с. 546, 547].

Согласно ГОСТ 17.5.1.03-86 [10] выделяются следующие группы пород: потенциально плодородные, малопригодные (не токсичные, но бедные элементами питания) и непригодные по химическим (сильное засоление и кислотность) и физическим свойствам (сильно каменистые). Изученные отвалы сложены малопригодными породами с примесью непригодных.

Исследования показали, что фитоценозы в этих специфических условиях являются весьма динамичными биологическими системами. Лишь на наиболее благоприятном субстрате (малопригодные породы с примесью потенциально плодородных пород) можно отметить некоторую устойчивость фитоценозов с доминированием Calamagrostis epigeios по флористическому составу и структуре в период с 20 до 50 лет. Параллельно на части этих территорий идет процесс формирования групп лесных фитоценозов аллейного и паркового типа, что ведет к нарушению устойчивости травянистых фитоценозов. Под пологом леса происходит трансформация (сильватизация) травянистого яруса.

Фитоценозы техногенных ландшафтов, формирующихся в процессе самозарастания, — результат сложного взаимодействия зонально-климатических и конкретных экологических условий: чем они благоприятнее, тем ближе к зональному типу формирующиеся фитоценозы. Флористический состав формирующихся сообществ в значительной степени определяется условиями местообитания, в первую очередь эдафическими.

Поселившиеся растения оказывают влияние на субстрат: в верхних слоях идет накопление С, N, доступного К, наблюдаются и другие изменения, связанные с начальными процессами почвообразования. Изменение растительности в течение первых 2-3 десятилетий на отвалах ЧУБ определяется миграцией растений, отбором в процессе приспособления к своеобразным условиям отвалов и конкуренцией. Чаще всего преимущество получают виды с интенсивным семенным размножением и имеющие приспособления для быстрого распространения плодов и семян (Ко chia scoparia, Salsola collina Pall., Erucastrum armoracioides (Czem. ex Turcz.) Cruchet и др.). В последующие годы преимущество получают многолетники с интенсивным вегетативным размножением, которые становятся доминантами растительных сообществ. На изученных отвалах ЧУБ это Calamagrostis epigeios, Elytrigia repens, Роа pratensis, в ряде фитоценозов — древесные виды Betula pendula, Populus tremula, Salix caprea и др.

Окружающая нарушенные территории растительность (зональная и интродуцированная) является источником заноса диаспор, оказывая влияние на формирование фитоценозов. Например, на изученных отвалах в начале 60-х гг. XX в. на территории г. Коркино наблюдались единичные растения и куртины Hordeum juba-tum L. В последующие годы имело место интенсивное внедрение этого вида на нарушенные открытыми угольными разработками земли. В начале 70-х гг. XX в. в растительных сообществах Коркинских отвалов отсутствовал Acer negundo L., который в 1989 г. получил довольно широкое распространение и отмечен практически во всех описаниях.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >