WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Манаков Юрий Александрович

Восстановление растительноГО покрова

в техногенных ландшафтах кузбасса

03.02.08 – Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Новосибирск – 2012

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук
Институт экологии человека Сибирского отделения РАН

Научный консультант – 

доктор биологических наук, профессор

Куприянов Андрей Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

Миронова Светлана Ивановна

доктор биологических наук, профессор

Торопова Елена Юрьевна

доктор биологических наук, профессор

Данченко Анатолий Матвеевич

Ведущая организация – 

Учреждение Российской академии наук Институт леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН

Защита диссертации состоится «__» _______________2012 года в «____» часов на заседании диссертационного Совета Д 220.048.03 при ФГБОУ ВПО Новосибирский государственный аграрный университет по адресу: 630039,
г. Новосибирск, ул. Добролюбова, 160.

Тел./факс: (383)264-29-34, e-mail: norge@ngs.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
Новосибирский государственный аграрный университет.

Автореферат разослан «____» _______________ 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного cовета 

Маренков В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность проблемы. Распространение в XIX веке промышленного производства в ряде стран положило начало научно-техническому прогрессу. С этого момента развитие человеческой цивилизации стало оказывать все более возрастающее влияние на литосферу Земли. Уже в начале XX века В.И. Вернадский отметил, что “эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу – научную мысль социального человечества” (Вернадский, 1991).
В качестве главной тенденции он выделил “...интенсивный рост влияния одного видового живого вещества – цивилизованного человечества – на изменение биосферы”. В 1931 г. академик А.Е. Ферсман впервые ввел в научный оборот термин “техногенез”, под которым подразумевался процесс индустриального изменения биосферы (Ферсман, 1931). Он показал основные области влияния человеческой деятельности на геохимические процессы в условиях гипергенеза и на глубинах, доступных геологоразведочным работам и добыче полезных ископаемых, а также масштабы ее проявления. Наиболее значимыми из них, уже в то время, он отмечал горнодобывающую и металлургическую промышленность.

В Кемеровской области сосредоточены огромные запасы каменного угля, которые оцениваются в 524,4 млрд т. Общая площадь Кузнецкого бассейна насчитывает 27 тыс. км2 (Потапов и др., 2005). В настоящее время добычу угля в регионе ведут 60 шахт и 35 угольных разрезов. Неизбежным следствием горно-промышленного производства являются карьерные выемки, отходы в виде отвалов вскрышных горных пород, подработанные шахтовые земли. Установлено, что на 1 млн т. добытого угля приходится 36 га уничтоженного слоя плодородной земли. Общая площадь бедлендов в бассейне составляет не менее 91,7 тыс. га, включая и зоны подтопления в районах закрытых угольных шахт (Счастливцев, 2003). Уровень экологической емкости в районах добычи угля превышен в 4 раза (Литвененко и др., 2008).

Изучение процессов, происходящих при восстановлении растительного покрова, является фундаментальной задачей для изучения устойчивости и регенерации экосистем, а также для решения вопросов сохранения биологического разнообразия и повышения качества окружающей среды, Прикладное значение исследования механизмов восстановления нарушенных земель также велико, поскольку на их основе совершенствуются технологии и приемы рекультивации земель.

Цель работы: выявить закономерности формирования растительного покрова в техногенных ландшафтах Кузбасса.

Задачи исследований:

  1. Изучить экологические условия в местообитаниях техногенных ландшафтов Кузбасса.
  2. Выявить состав флоры техногенных ландшафтов угольной промышленности  и провести ее анализ.
  3. Исследовать состав парциальных флор техногенных экотопов.
  4. Определить направленность сукцессионных процессов и степень сформированности растительного покрова на отвалах в 3-х природно-климатических подзонах Кузбасса. 
  5. Разработать эколого-биологические критерии оценки пригодности нарушенных земель для рекультивации.

Методы исследования основываются на изучении экологических особенностей нарушенных земель (температурного режима, относительной влажности, агрохимического состава горных пород); экотопологической структуры флоры техногенных ландшафтов методами сравнительной флористики (Юрцев, 1968, 1975; 1982; 1987) и геоботаники (Александрова, 1964; Воронов, 1973); методах изучения растительных сообществ, находящихся на разных стадиях сукцессионного развития (Норин, Китсинг, 1982), компьютерной обработке данных с использованием программного обеспечения «IBIS» (Зверев, 1998); математической статистике и эколого-биологическом анализе флоры.

Научная новизна.  Впервые изучен комплекс экологических условий, складывающихся на отвалах. Выявлены основные лимитирующие факторы тормозящие развитие растительного покрова. На уровне микрорельефа  выделено 8 основных типов экотопов, контрастных по своим экологическим характеристикам и определяющих степень относительной благоприятности местообитаний. Раскрыто содержание понятия флора техногенных экотопов на примере зарастания отвалов Кузбасса. Впервые изучена флора техногенных ландшафтов Кузбасса, которая насчитывает 557 видов. В их числе 14 видов из Красной книги Кемеровской области; 12 новых для области таксонов и 1 вид – новый для флоры Сибири. Составлены флористические списки отвалов с указанием проективного покрытия и встречаемости для каждой подзоны и стадии сукцессии. Выделены и обоснованы стадии первичных сукцессий. Восстановительные растительные сукцессии в техногенных ландшафтах протекают в 3 стадии: пионерная, простая, сложная группировки. Растительные сообщества, находящиеся на заключительной стадии зонального фитоценоза, на отвалах Кузбасса не обнаружены. Каждая из стадий характеризуется определенными показателями развития фитоценоза (количество видов, общее проективное покрытие, ярусность и др.) и имеет набор характерных видов, который изменяется от одной стадии к другой. Доказано, что формирование растительных сообществ на отвалах в различных природно-климатических подзонах Кузбасса происходит неодинаково, в строгом соответствии с зональными условиями, т.е. за счет видов окружающих территорий и под влиянием локальных природно-климатических условий. Так, наиболее благоприятные лесорастительные условия формируются в горно-таежной подзоне, расположенной в южной части Кузбасса, где в ходе сингенетической сукцессии после промежуточной стадии мелколиственных лесов формируются насаждения из пихты, ели, кедра и сосны обыкновенной.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Сингенез на отвалах носит зональный характер, но корректируется локальными экологическими условиями.

2. Экологические условия техногенных местообитаний не препятствуют переселению растений природных экосистем на отвалы.

3. Вне зависимости от экологических условий местообитаний и географического положения техногенных ландшафтов наиболее активными пионерными растениями являются анемохорные эксплеренты. 

4. Скорость сингенетических сукцессий определяется в большей степени напряженностью экологических факторов и в меньшей – возрастом отвалов.

Практическая значимость работы. Установлена зависимость степени продвинутости сингенетических сукцессий от элементов техногенного рельефа, с комплексом присущих экологических условий, определяющих особые режимы влажности и температуры конкретного экотопа. Это послужило основой для разработки критериев пригодности нарушенных земель для биологической рекультивации. Разработан интегральный показатель пригодности отвалов к рекультивации, который позволяет определить перспективность восстановления экосистем: самовосстанавливающаяся, частично-, слабо- и невосстанавливающаяся.
С помощью этого показателя можно ранжировать территорию отвала, выделяя участки с необходимым комплексом мероприятий по рекультивации. Полученные материалы вошли в первоочередные инновационные проекты по восстановлению и реабилитации нарушенных земель в Кузбассе и апробированы на отвалах предприятий ОАО «Кузбассразрезуголь» и ООО «Участок Коксовый»; использованы при составлении рабочих проектов рекультивации железнодорожных отвалов и гидроотвалов, прошедших этап консервации; применяются в учебном процессе в курсе «Экология растений» при подготовке специалистов биологов в КемГУ, и в курсе «Рекультивация нарушенных земель» при подготовке специалистов сельского хозяйства в АлтГАУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях: “Биологическая рекультивация нарушенных земель” (Екатеринбург, 1996), “Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды” (Иркутск, 1996), “Ecological Engineering” (Beijing, 1996); «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2006); «Мировые инновационные технологии восстановления нарушенных и загрязненных земель техногенных регионов» (Кемерово, 2008); «Проблемы и перспективы инновационного развития экономики Кузбасса» (Кемерово, 2008); «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Павлодар, 2009); «Проблемы экологии» (Иркутск, 2010); «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010); «Проблемы изучения растительного покрова Сибири» (Томск, 2010).

На всероссийских конференциях: Томск, 1995; Барнаул, 1996, 2003; Ижевск, 1998; Красноярск, 2006; Иркутск, 2007; Саратов, 2009; Кемерово, 2004, 2006, 2009, 2010.

Личное участие автора в получении результатов. Научные исследования по поставленной проблеме проводились автором в Кемеровской области в Институте экологии человека СО РАН (ИЭЧ СО РАН) в рамках проектов и программ: при выполнении плановых научно-исследовательских работ СО РАН (6.3.1.7.); ФЦП «Интеграция науки высшего образования России на 2002-2006 годы» (госконтракт  № И0615, И0539/1336 от 16 сентября 2002 г. и дополнений к нему № 899 от 10 июня 2003 г.; ФЦП «Интеграция» (№ 123); «Исследование скорости сингенеза и демутации растительного покрова в районах добычи угля» (грант РФФИ №10-04-98001).

Диссертационная работа является результатом 15-летних исследований автора, который обосновал тему, определил цель и задачи исследования, подобрал методику исследований и усовершенствовал ее применительно к новым объектам – техногенным ландшафтам, выполнил полевые исследования, систематизировал полевой материал, проанализировал результаты и обосновал критерии пригодности техноземов для работ по рекультивации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ, из которых 6 коллективных монографий, 11 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, cписка литературы, включающего 383 источникf, (в том числе 54 иностранных),  насчитывает  372 страницы, содержит 45 таблиц, 49 рисунков, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность проведенных исследований, определены цели и задачи работы, раскрыта ее научная новизна и практическое значение.

Глава 1 «Техногенные ландшафты как объект научного исследования» посвящена литературному обзору по антропогенному ландшафтоведению и истории изучения растительного покрова отвально-карьерных ландшафтов. Среди антропогенных комплексов различают техногенные ландшафты, в которых обмен веществом и энергией определяется техническим блоком на фоне полного и частичного подавления природных закономерностей (Федотов, Усков, 1980). Генетическую группу техногенных комплексов образуют горнопромышленные, военно-фортификационые (беллигера-тивные), селитебные и транспортные ландшафты (Федотов, 1985). В настоящее время наблюдается резкое увеличение площади техногенных ландшафтов, причем не только за счет природных, но и сельскохозяйственных территорий.

По мнению С.С. Трофимова с соавт. (1979), в первое время вновь образованные техногенные территории содержат огромное количество полидисперсных, ничем не закрепленных минеральных субстратов. В тоже время здесь создается своеобразный “биологический вакуум”, запускающий естественный механизм транспорта – “входящих” и “выходящих” потоков вещества и энергии, которые преобладают на  “первых”, “пионерных” стадиях онтогенеза техногенного биогеоценоза. Интенсивность проявления биогеоценотических процессов в техногенных  ландшафтах в значительной степени определяется индивидуальными особенностями эволюции форм неорельефа в посттехногенную фазу его развития и гипергенной трансформации минеральных субстратов (эдафотопа). Ф.К. Рагим-заде с соавторами (1977) выделяют следующие фазы его эволюции: а) техногенная фаза машинного формирования макрорельефа; б) посттехногенная фаза усложнения макрорельефа с образованием его мезо-, микро- и наноформ; в) фаза литогенной и геохимической стабилизации.

Первые работы по изучению почвенного и растительного покрова на нарушенных землях Урала связаны с именами В.В. Тарчевского (1959, 1970)  и  Б.П. Колесникова (Колесников, 1974 а, б; Колесников, Пикалова, 1974; Колесников, Лукьянец, 1976; Колесников, Махонина, Чибрик, 1976).

Исследования территорий, нарушенных горными работами, проводились также в Подмосковном угольном бассейне (Моторина, Ижевская, 1967, 1973, 1980; Моторина, 1970, 1975, Моторина, Ижевская, Савич, 1976; Моторина, Зайцев, 1980); в условиях Крайнего Севера (Дружинина, 1985; Творогов, 1988а; Капелькина, 1993; Ребристая, Хитун, Чернядьева, 1993; Сумина, 1991, 1996, 2004;) и Чукотского полуострова (Сумина, Яцкевич, 1990; Пугачев, Тихменев, 2005, 2008; Пещеров, 2009) и Приморья (Леонтьев, 1966; Саламатова, Плошко, 1992), в Кузбассе (Баранник, Щербатенко, 1972; Баранник, 1973, 1988; Щербатенко, Шушуева, 1974; Щербатенко, Кандрашин, 1977; Баранник, Кандрашин, 1979; Куприянов, Баранник, 1996), на территории КАТЭКа (Титлянова и др, 1993, Миронычева-Токарева, 1998); а также на сопредельных с Россией территориях – в Донбассе (Волошин, 1961, Рева, Бакланов, 1974; Рева, Хархота, Дмитриенко, 1978), в угольных районах Республики Казахстан (Куприянов, 1989, 1992; Куприянов, Акулов, 1990; Куприянов, Манаков, 1995, 2006, 2008), в Якутии (Лебедева, Лонкунова, 1990; Миронова, 1996, 1999, 2000; Петрова, 1994).

За рубежом подобные работы проводились на отвалах буроугольных разрезов в Польше (Zemnicki, Fijalkowski, 1975; Balcerkiewich, Brzeg, Pawliak, 1984); Германии (Schtz et &, 1998; Pietsch, 1996, Pietsch,  Schtz, 1999),  Норвегии (Liminham, Boggie, 1977), Китае (Cheng et &, 1989.), США (Alvarez et &, 1974), Канаде (Bliss, Wein, 1972; Archibold, 1980), Австралии (Bell, et & 1993),  в Арктике на Аляске (Bishop et &, 1989; Ebersole, 1987, 1989).

В главе 2 «Природно-климатические условия и техногенные ландшафты Кузбасса» дана общая природно-климатическая характеристика территории в границах Кузнецкого угольного бассейна, объемы и характер нарушений земной  поверхности.

Кузнецкий угольный бассейн расположен в западной части Алтае–Саянской горной страны в котловине между горными массивами Кузнецкого Алатау, Шорским нагорье, Салаирским кряжем, на севере Кузнецкий угольный бассейн плавно переходит в Западно-Сибирскую низменность. Климат Кемеровской области в силу сложной атмосферной циркуляции, обусловленной рельефом местности, характеризуется резкой континентальностью.

Территория Кузнецкой котловины характеризуется весьма значительным однообразием почвообразующих пород, представленных карбонатными, светло-бурыми и буровато-желтыми лессовидными иловато-пылеватыми тяжелыми суглинками или пылевато-иловатыми легкими глинами. Эти лессовидные породы в Кузбассе распространены повсеместно и одевают сплошным покровом, как все водораздельные пространства, так и верхние надпойменные террасы речных долин (Трофимов, 1975).

Основными вскрышными и углевмещающими горными породами в Кузбассе являются песчаники, а также алевролиты, аргиллиты. Сверху они покрыты рыхлыми отложениями, представленными в основном карбонатными лессовидными суглинками в центральной части Кузнецкой котловины и бескарбонатными суглинками и глинами на юге Кузбасса.

В Кемеровской области насчитывается около 500 предприятий, нарушающих почвенный покров, из них ведущее место занимают предприятия угольной промышленности – 190, сельского хозяйства – 100, предприятий других  отраслей  – 89,  черной и цветной металлургии  – 28. Среди наиболее крупных нарушителей почвенного покрова являются предприятия угольной промышленности (Мазикин, 2005). Из общей площади нарушенных разрезами земель карьерные выемки составляют 33,9%, внешние отвалы – 42,5%, внутренние отвалы – 13,0%, прочие нарушения – 10,6%. Большой удельный вес площади внешних отвалов объясняются тем, что 80% вскрышных пород при разработке вывозится за пределы карьерного пространства (Счастливцев, 2005; Потапов и др., 2005).

Глава 3 «Ландшафтообразующие факторы техногенных комплексов» посвящена изучению технологических и природных ландшафтообразующих факторов. Изучены формы техногенного рельефа и отличия  их параметров в зависимости от технологии отсыпки. Для оценки влияния природных факторов были проведены исследования водно-физических условий на отвалах горных пород, накопление влаги в зимний период, эрозионные процессы на поверхности отвалов, механическое выветривание горных пород, температурный режим в летнее время и агрохимические свойства техногенных субстратов.

Рис. 1. План карьера и отвалов при разработке крутопадающего пласта угля. 1 – горные выработки; 2 – внешние отвалы; 3 - конечный контур карьера.

Основную долю нарушенных земель при открытой добыче угля составляют земли, занимаемые внешними породными отвалами и горными выработками. Общий вид территории углеразреза представлен на рис. 1.

Разнообразие горно-геологических условий местности определяет необходимость применения различных технологий вскрышных работ. В зависимости от системы разработки создаются определенные  формы техногенного рельефа: гребневидные отвалы, одноярусные внешние отвалы,  террасовидная поверхность многоярусных отвалов, платовидная поверхность внутренних отвалов и гидроотвалов (рис. 2).

Рис. 2. Наиболее распространенные
формы внешних отвалов сложенных при транспортной системе вскрыши (а, б), бестранспортной (г, д) и при гидромеханизации (в).

Отличительной особенностью техногенного рельефа является наличие значительных площадей наклонных поверхностей, где формируются экотопы с различным набором экологических характеристик, преимущественно неблагоприятных по параметрам водно-температурного баланса. Это обусловливает крайне неравномерное распределение растительного покрова по элементам рельефа техногенных ландшафтов.

Элементарными факторами, характеризующими техногенный экотоп, являются: влажность грунта, содержание элементов питания растений, температурный режим поверхности грунтовой толщи, световой и ветровой режим, рыхлость сложения грунтов и связанная с ней аэрация, стабильность поверхности (устойчивость против эрозии).

Большинство этих факторов являются природными, однако, они могут изменяться от применяемой технологии работ, в частности от формы, величины и способа образования отвалов. Рыхлость сложения грунтов, их аэрация, устойчивость против эрозии определяются как способами формирования отвалов, так и минералогическим составом горных пород (рис. 3). 

Рис. 3. Схема причинно-следственных связей при формировании экологических условий на отвалах угольных разрезов.





По механическому составу выветрелый мелкозем горных пород, составляющих отвалы, относится к суглинкам (от средних до тяжелых), местами –  к легким глинам. Большинство молодых  отвалов вскрышных и углевмещающих пород (исключая гидроотвалы и внешние бестранспортные отвалы из суглинков) характеризуются высокой каменистостью. Содержание скелетного материала, представленного фрагментами горной породы, достигает 95% (Баранник, 1988, Куприянов 1989). Высокая каменистость техногенных субстратов обусловливает их значительную водопроницаемость. Особенно она высока («провальная» по Качинскому) на отвалах, сложенных элювием песчаников, содержащих до 50-75% каменисто-щебнистых фракций. Элювий аргиллитов рыхлого сложения также обладает высокой водопроницаемостью – 5,6 мм/мин. На участках со значительным уплотнением поверхностного слоя при разравнивании отвалов тяжелыми бульдозерами водопроницаемость значительно понижается до 0,34 мм/мин. Грунты отвалов в рыхлом сложении имеют высокую водопроницаемость, что позволяет им впитывать атмосферные осадки без поверхностного стока. Уплотнение грунта и образование иллювиальных горизонтов снижает водопроницаемость, что в свою очередь увеличивает поверхностный сток и уменьшает запасы общей влаги.

Наблюдаются значительные температурные колебания на склонах отвалов различной экспозиции. Динамика максимальных суточных температур отражена на рис. 4. Поверхности западных и южных нагреваются сильнее остальных склонов. Так, в наиболее жарком месяце года июле максимальная температура поверхности на западном склоне отвала варьирует в диапазоне от 21 до 54 °С. Количество дней с температурой поверхности выше 40 °С составляет на западном склоне – 29; на южном – 15.

Рис. 4. Динамика максимальных температур на склонах отвала

  На восточном склоне наблюдается всего два скачка температуры до 39 °С в дневное время суток. На северном склоне максимум температуры очень редко превышает 30°С.

Температура на северном и восточном склонах в летний период достоверно ниже, чем на южных и западных, что создает здесь благоприятные экологические условия по водно-температурному балансу (рис. 5). Несмотря на экстремально высокую температуру на поверхности западных и южных склонов отвала (свыше 50 °С), средняя дневная температура составляет в пределах 25 °С, а на глубине 15 см максимальная температура существенно ниже, и не поднимается выше 30 °С. 

Рис. 5. Среднее максимальных температур на склонах песчаникового отвала
(В – восточный; Ю – южный, З – западный, С – северный) в  течение 3-х летних месяцев (6 – июнь, 7 – июль, 8 – август).

Изучение агрохимических свойств грунтосмесей с отвалов вскрышных и вмещающих пород показало, что практически все агрохимические показатели не имеют явно выраженной дифференциации и закономерности (табл. 1). Незначительные колебания агрохимических свойств обусловлены в большей мере однородностью слагающих отвалы грунтосмесей. Реакция среды (рН) исследованных образцов либо нейтральная (суглинки), либо слабо щелочная (песчаники). Материал старовозрастных отвалов имеет благоприятные агрофизические свойства и не содержат фитотоксичных веществ. Суглинки по своим свойствам являются потенциально-плодородными горными породами. Они не засолены, имеют высокую емкость поглощения и степень насыщенности основаниями.

Таблица 1

Агрохимические свойства субстратов, взятых с поверхности
отвалов вскрышных горных пород в различных частях Кузбасса

Грунты отвалов

Показатель

Песчаники
(супеси)

Легкие суглинки

Средние суглинки

Тяжелые
суглинки

М±m

V, %

М±m

V, %

М±m

V, %

М+m

V, %

Рн

7,5±0,4

11

7,1±0,3

14

7,0±0,2

14

7,2±0,2

13

Сорг,  %

6,3±0,9

24

4,1±0,3

13

6,1±0,5

13

5,5±0,4

15

Валовые, %

N

0,138±0,006

39

0,181±0,004

38

0,296±0,015

39

0,108±0,009

16

Р

0,144±0,033

22

0,139+0,032

20

0,176±0,071

28

0,215±0,064

18

К

0,26±0,32

27

0,41+0,30

38

1,93±0,13

26

0,543±0,11

17

Подвижные, мг/100 г

NH,

4,2±0,25

22

2,52±0,30

28

15,2+1,3

19

2,8±1,2

10

NO3

0,02±0,21

31

0,02±0,24

29

0,02+0,6

28

1,52±0,8

12

Р2О5

1,64±0,35

17

1,51±0,48

21

2,25±0,67

24

14,23±0,44

15

К2О

9,9±0,66

11

24,1±0,75

13

12,8±1,1

14

23,6±0,9

16

Поглощенные  катионы, %

Са"

68,4±1,1

13

63,1±1,3

14

60,2±1,4

13

80,1±0,9

16

Mg"

15,25±0,4

29

10,3±0,5

28

10,2±0,7

25

30,3±0,6

14

Сухой
оста­ток, %

0,048±0,08

14

0,032±0,15

23

0,043±0,04

18

0,08±0,03

15

Примечание: М – среднее значение, m – отклонение от среднего, V – коэффици­ент вариации.

Глава 4 «Методические подходы к изучению процессов зарастания техногенных ландшафтов». Методологической основой изучения восстановления нарушенных земель является экологическое представление о взаимосвязи экологических условий, складывающихся на отвалах, особенностей литосферы, климата и флористического разнообразия. Закономерная смена растительного покрова на поверхности отвалов описывается теорией сукцессий (Clements, 1916; Разумовский, 1981; Реймерс, 1991; Мошаров, 1999). Развитие и направленность первичной сукцессии; ее специфические особенности на начальной и последующих стадиях изучались неоднократно (Одум, 1986; Бигон и др., 1989; Миркин, Соломещ, 1989); описаны существующие схемы первичных сукцессий (Сукачев, 1938; Шенников, 1964; Воронов, 1973).

Имеются  различные методические подходы к изучению растительного покрова техногенных ландшафтов: парцеллярный метод изучения биогеоценозов (Трофимов и др., 1970; Таранов, Кандрашин и др., 1979); изучение особенностей распределения растений на элементах микрорельефа трансектным методом (Федотов, 1984; Капелькина, 1993; Куприянов, Манаков, 1995); маршрутный метод описания флоры в основных местоположениях отвалов (Щербатенко, Шушуева, 1974; Щербатенко, Кандрашин, 1977; Кандрашин, 1979); методом составления геоботанических описаний (Чибрик, Елькин, 1989; Миронова и др., 1991; Сумина, 1996; Копцева, 2005; Ветлужских, 2006).

Полевые исследования проводились в период с 1995 по 2010 гг. на отвалах угольных разрезов Кузбасса на площади 50 тыс. га. Объектом наших исследований являлся растительный покров нерекультивированных отвалов, разного генезиса, геоморфологической структуры, породного состава и возраста (молодые – 1-7 лет, средневозрастные – 8-20 лет, старовозрастные – более 20 лет). Наиболее старые отвалы имеют возраст около 40 лет. Отвалы, на которых проводились исследования (более 30 угольных предприятий) расположены в трех природно-климатических подзонах Кемеровской области: I – лесостепная южная, II – лесостепная северная, III – горно-таежная (рис. 6).

Для изучения влияния основных экологических факторов выделено и обследовано 15 модельных техногенных ландшафтов, которые представляют собой наиболее крупные по площади, в которых представлены все типы отвалов горных пород и техногенных местообитаний.

Рис. 6. Схема размещения Кузнецкого угольного бассейна, границ природно-климатических подзон и угольных разрезов где проводились исследования:
1 – Кедровский; 2 – Волковский; 
3 – Бачатский; 4 – Березовский; 
5 – Вахрушевский;  6 – Моховский;
7 – Ерунаковский;  8 – Талдинский;
9 – Сартакинский;  10 – Новосергеевский;

11 – Шахта Западная;  12 – Красногорский; 13 – Листвянский; 
14 – Ольжерасский; 15 – Осинниковский.
¦ – обозначение прочих угольных разрезов.

Природно-климатические подзоны:
I – лесостепная южная; II – лесостепная северная; III – горно-таежная.

Флористические списки этих районов представляют локальные флоры (ЛФ), на основе которых проведен анализ структуры и экологических особенностей ЛФ. В северной лесостепи  – Кедровский разрез (ЛФ1), Шахта Волкова (ЛФ2), в южной лесостепи – Бачатский (ЛФ3), Березовский (ЛФ4), Вахрушевский (ЛФ5), Моховский (ЛФ6), Ерунаковский (ЛФ7), Талдинский (ЛФ8), Сартакинский (ЛФ9), Новосергеевский (ЛФ10) разрезы, Шахта Западная (ЛФ11); в таежной подзоне – Красногорский (ЛФ12), Листвянский (ЛФ13), Ольжерасский (ЛФ14), Осинниковский (ЛФ15).

В своих исследованиях мы использовали эколого-ботанические методы,  в которых сочетаются углубленное флористическое изучение техногенных экотопов с учетом напряженности тех или иных экологических факторов. При изучении парциальных флор (ПФ) техногенных экотопов мы опирались на методические подходы Б.А. Юрцева, а также О.В. Ребристой (1987, 1993) и О.В. Хитун (2003).

На разнородных отвалах угольной промышленности нами выделено всего 8 групп экотопов (табл. 3), контрастных по своим экологическим характеристикам, которые определяют степень относительной благоприятности местообитаний (Манаков, 2000). Выделенные экотопы являются основой для формирования парциальных флор (ПФ), на которых проводилась оценка широты экологической амплитуды (ШЭА). Этот показатель оценивается в баллах, соответствующих доле экотопов, освоенных видом, от общего числа экотопов, выделенных в пределах ландшафта, с шагом в 20%.

Таблица 2

Характеристика экологических условий основных местообитаний

Оценка экологических условий

Характеристика рельефа и степени выветрелости грунтов

Характеристика

экологических условий

Склоновые поверхности песчаниковых отвалов

1. Неблагопри-
ятные

Мезорельеф: холмистый и крутой. Микрорельеф: ровный. Экспозиция: южная и западная. Позиция на склоне: вверху, посредине. Выветрелость субстрата: не имеет значения.

Провальная влагоемкость, высокая каменистость, высокие летние температуры на поверхности, незначительное количество снега в зимний период

2. Умеренно благоприятные

Мезорельеф: наклонный

Микрорельеф: ровный или легкая бугристость

Позиция  и экспозиция: на теневых склонах –  вверху;  на солнечных – внизу. Выветрелость субстрата: умеренно- и хорошо выветрелый

Влажность субстрата в корнеобитаемом слое: низкая

Температура поверхности: не экстремальная.

3. Благоприятные

Мезорельеф и микрорельеф не имеют значения. Позиция  и экспозиция: аккумулятивная зона теневых экспозиций.  Выветрелость субстрата: хорошо- сильно- и полностью выветрелый субстрат

Мезорельеф: незаметный или отлогий Микрорельеф: различная степень бугристости. Экспозиция: северная и восточная

Влажность субстрата в корнеобитаемом слое: оптимальная. Температура поверхности: летом – оптимальная, зимой – не экстремальная на подветренных сторонах отвала накопление снега достаточное).

Продолжение табл. 2

Несклоновые поверхности песчаниковых отвалов

4. Неблагопри-
ятные

Микрорельеф: ровный и микробугорки. Выветрелость субстрата: слабо- и невыветрелый.

Влажность субстрата в корнеобитаемом слое: низкая. Температура поверхности: летом – не экстремальная; зимой –  экстремально низкая (из-за переноса снега  с поверхности отвала на подветренные склоны) или не экстремальная (из-за задержания снега на поверхности)

5. Умеренно благопри-ятные

Микрорельеф: различная степень бугристости

Выветрелость субстрата: хорошо-, сильно- и полностью выветрелый.

Влажность субстрата в корнеобитаемом слое: оптимальная

Температура поверхности: летом – оптимальная; зимой – не экстремальная.

6. Благоприят-ные

Микрорельеф различной степени бугристости.

Субстрат от умеренно до полностью выветрелого

Влажность субстрата в корнеобитаемом слое низкая.

Температура поверхности: не экстремальная

Содержание мелкозема по отношению к другим фракциям – свыше 50%.

Отвалы лессовидных суглинков

7. Благо-приятные

Мезорельеф: отлогий, наклонный и холмистый.

Микрорельеф: различный

Субстрат: лессовидные суглинки 

Влажность субстрата в корнеобитаемом слое: оптимальная

Температура поверхности: не экстремальная

Береговая зона гидроотвалов

8. Умеренно благоприят-ные

Субстрат: пульпа тонкого механического состава 

Влажность субстрата в корнеобитаемом слое: высокая, как правило, без дренажа.

Температура поверхности:  оптимальная

В зависимости от роли, которую играют поселившиеся виды в сообществах, мы выделяем облигатные виды, набравшие наибольший V балл (встречающиеся во всех экотопах) и факультативные – виды, которые встречаются не во всех экотопах. Среди факультативных  видов выделяются регулярные (балл IV), нерегулярные (III), спорадические (II) и случайные (I). Для выявления состава парциальных флор (ПФ), активности и ценотических позиций видов в основных местообитаниях техногенных ландшафтов проводили описание контуров растительных сообществ стандартными геоботаническими методами (Александрова, 1964; Воронов, 1973).

Также нами использованы методические приемы изучения растительных сообществ, находящихся на разных стадиях сукцессионного развития (Норин, Китсинг, 1982), когда развитие растительного покрова оценивается по уровню сформированности растительных сообществ. В каждой из выделенных групп местообитаний составляли от 25 до 50 геоботанических описаний растительных группировок. Всего было составлено 838 геоботанических описаний, 269 из них представляют пионерные группировки, 363 описания – стадию простой растительной группировки и 206 – стадию сложной группировки. Данные по флористическому составу фитоценозов подтверждены гербарными листами сосудистых растений в количестве 1250 экземпляров. Гербарий растений, собранных на отвалах Кузбасса, хранится в Гербарии Института экологии человека СО РАН (KUZ).

Анализ флоры техногенных экотопов и локальных флор проводился по общепринятым методикам. Кроме того вычислен коэффициент оригинальности видовой структуры (ORSG), который для территории Азиатской России (Малышев, 2000) находится по формуле:

ORSG = ([S–S] / S)*100%,  где

S – реальное число видов во флоре; S – ожидаемое на основании числа родов; G – число родов. S = 438,3 + 0,003797*G2

Для флоры отвалов рассчитан коэффициент синантропизации по формуле предложенной Е.П. Прокопьевым с соавторами (2007). Коэффициент синантропизации при этом учитывает суммарную встречаемость синантропных и гемерофобных видов.

  Na  Na  Nb

Ks = ai 100 (ai + bi ) ,

  i=1 i=1 i=1

где

Ks  – коэффициент синантропизации;

ai – встречаемость синантропных видов;

Na – число синантропных видов;

bi– встречаемость видов гемерофобов;

Nb – число видов гемерофобов.

В Главе 5 «Флора техногенных ландшафтов Кузбасса» проведен таксономический, хорологический, биоморфологический, эколого-ценотический анализ флоры техногенных ландшафтов на основе конспекта видов.

Отличительные черты флоры техногенных ландшафтов обусловлены наличием большого количества свободных от растительности техногенных экотопов и высокими темпами сукцессионных процессов. Конечным этапом изменений, происходящих в совокупности видов поселяющихся в техногенном ландшафте, является зональная или интразональная флора.

Флора сосудистых растений техногенных ландшафтов угольных разрезов Кузбасса включает 557 видов из 300 родов и 79 семейств, что составляет около 1/3 от общего числа флоры Кемеровской области (табл. 3).

Таблица 3

Ведущие семейства флоры отвалов угольных разрезов

Семейство

Флора угольных отвалов

Флора Кемеровской области

число родов

виды

виды

число

% от флоры

число

% от флоры

Asteraceae

38

83

14,9

181

11,3

Poaceae

29

61

10,9

128

8,0

Fabaceae

11

34

6,1

77

4,8

Rosaceae

15

31

5,6

66

4,1

Brassicaceae

18

22

3,9

62

3,9

Ranunculaceae

12

21

3,8

71

4,4

Caryophyllaceae

14

20

3,6

70

4,4

Lamiaceae

15

20

3,6

43

2,7

Apiaceae

14

18

3,2

46

2,9

Scrophulariaceae

9

16

2,9

57

3,7

Остальные

125

231

40,5

784

50,5

Таксономический анализ показал, что головные части спектров флоры угольных отвалов и флоры Кемеровской области совпадают, что, в общем, характеризует их как типично бореальные. Однако крупные «мезофитные» семейства флоры Кемеровской области – Cyperaceae, Juncaceae, Potamogetonaceae, Gentianaceae – теряют свои позиции в условиях техногенных ландшафтов, но это объясняется не какими-то специфичными свойствами отвалов, а отсутствием  типичных местообитаний для этих видов.

Оригинальность видового состава флоры угольных отвалов Кузбасса (ORSG = – 30,9) имеет очень низкое отрицательное значение, что является отражением процесса ее формирования в результате вселения на свободные площади растений с окружающих территорий. Во флоре отвалов преобладают виды с широкими ареалами – голарктическим и паневразийским. По сравнению с естественными флорами, высокую долю, имеют космополиты (10,0% видов флоры). Незначительное количество азиатских видов во флоре определяет стенотопность среднеазиатских и сибирских степных и горно-лесных видов. Большая часть  видов азиатской группы во флоре отвалов это лесные и луговые виды, степная составляющая выражена очень слабо.

Основу биоморфологического спектра новообразующейся флоры составляют травянистые поликарпики – 66,7% флоры, вегетативно-подвижные жизненные формы преобладают над вегетативно-неподвижными в соотношении 2,6:1. Повышена доля монокарпических растений 23,4%. Способностью к вегетативному размножению обладает видов флоры отвалов. Соотношение в группах отражают тенденцию заселения растениями свободных пространств формирующихся техногенных местообитаний.

Во флоре отвалов выделено 5 эколого-ценотических групп: луговая, лугово-степная, лесная, прибрежно-водная и сорная. Особенности эколого-ценотической структуры определяет преобладание видов луговой группы, а так же высокая доля участия лесных и сорных видов. Основу луговой эколого-ценотической группы составляют паневразийские короткокорневищные виды; лесной – короткокорневищные травянистые поликарпики, деревья и кустарники с паневразийскими ареалами, зональную специфику флоре отвалов придают лесные короткокорневищные и длиннокорневищные поликарпические травы сибирской географической группы. Сорная группа включает двулетние и однолетние паневразийские, голарктические и космополитные виды, которые в совокупности составляют 72% от ее числа. Лугово-степной элемент флоры отвалов малоспецифичен, основу составляют короткокорневищные и дерновинные многолетники евразийских и азиатских групп ареалов.

При заселении отвалов в наиболее выгодных позициях оказываются растения с летучими семенами, обладающие при этом хорошо выраженной вегетативной подвижностью: из числа деревьев и кустарников это – Populus nigra, P. tremula, Salix alba, S. bebbiana, S. caprea, S. cinerea, S. rorida, S. triandra, S. viminalis; вегетативно подвижных травянистых многолетников – Chamerion angustifolium, Calamagrostis epigeios, Cirsium incanum, C. setosum, Sonchus arvensis, Tussilago farfara, Typha latifolia, Phragmites australis. Многие из этих видов являются пионерами заселения, доминантами на первой и второй стадиях сукцессии.

На отвалах поселяются редкие растения, в их числе 14 видов из Красной книги Кемеровской области (Adonis vernalis, Botrychium lunnaria, B. multifidum, Dactylorchiza baltica, D.fuchsii, D. incarnata, Epipactis helleborine, E. palustris, Gypsophila patrinii,  Listera ovata, Malaxis monophyllos, Platanthera bifolia, Spiranthes amoena, Tilia sibirica). Впервые для территории области зафиксировано 12 новых видов (Erucastrum gallicum (Willd.) O.E. Schultz – новое растение для флоры Сибири), Amelanchier alnifolia (Nutt.) Nutt., Elaeagnus angustifolia L., Triticum aestivum L.; Achillea setacea Waldst. et Kit., Chenopodium acuminatum Willd., Elymus excelsus Turcz. ex Griseb., E. trachicaulus ssp. novae-angliae (Scribner) Tzvelev, Lotus sergievskiae R. Kam. et Kovalevsk., Rumex sylvestris (Lam.) Wallr., Sisymbrium wolgense Bieb. ex Fourn., Thesium arvense Horvatovszky). В основном это адвентивные виды.

Коэффициент синантропизации флоры угольных отвалов Кузбасса составил Ks = 26%. В соответствии со шкалой антропогенной трансформации исследуемая флора находится на II стадии (которой соответствуют коэффициенты (Ks) диапазона 21-40%) – стадии умеренной трансформации.

В составе синантропного элемента преобладают виды местной флоры. Многолетние наблюдения за гемерофитами на отвалах угольной промышленности пока не дают доказательств эволюционного развития фитоценозов при зарастании отвалов. С другой стороны в силу меньшей конкурентности между растениями отвалы более восприимчивы к появлению на их территории новых инвазионных не только растений, но и насекомых (Лукьянцев, Манаков, 2008).

В Главе 6 «Экологические особенности структуры
флоры техногенных экотопов» описаны результаты исследований зональных особенностей 15-ти локальных флор, экотопических различий 8-ми парциальных флор техногенных местообитаний и степень сформированности растительных группировок на отвалах в разных природно-климатических подзонах по трем стадиям сингенетической сукцессии.

Для выявления пространственной дифференциации флоры техногенных экотопов  проведен сравнительный анализ, в ходе которого выделено и обследовано 15 участков – локальных флор. Локальные флоры значительно отличаются друг от друга по флористическому составу, 360 видов (65% от общего флористического списка флоры отвально-карьерных ландшафтов) отмечены не более чем в 3-х ЛФ. В числе видов, отмеченных только в 1 из 15 ЛФ, преобладают гемерофобы (153 вида) – редкие для области в целом: Botrychium lunaria, Gypsophila patrinii; петрофитные папоротники: Woodsia ilvensis, Dryopteris cartusiana; виды луговых степей: Aconitum barbatum, Adonis vernalis, Pulsatilla patens, Anemone sylvestris; прибрежно-водные и водные растения: Batrachium divaricatum, Halerpestes sarmentosa, Rumex maritimus, Ranunculus grandifolius; обитатели черневых лесов, которые изредка встречаются на старовозрастных отвалах, символизируя переход к стадии формирования зональных ценозов – Actaea spicata, Alnus fruticosa.

Обычными растениями (те, которые отмечены в составе 7 и более ЛФ) на отвалах являются 69 видов (13% от общего флористического списка), в их числе гемерофобы – 27 видов (5%), синантропные – 42 вида (8%). Максимальную встречаемость имеют: синантропные – Melilotus officinalis, Trifolium repens, Dracocephalum nutans, Achillea millefolium, Cirsium setosum, Sonchus arvensis, Taraxacum officinale, Calamagrostis epigeios, Dactylis glomerata, Elytrigia repens, Artemisia vulgaris; гемерофобы – Pinus sylvestris, Thalictrum minus, Salix caprea, Fragaria viridis, Padus avium, Potentilla argentea, Centaurea scabiosa, Erigeron acris, Phleum pratense.

Во флорах северной лесостепи (ЛФ1-2) отмечено 353 вида, южной лесостепи (ЛФ3-11) – 381, горно-таежных (ЛФ12-15) – 293 вида сосудистых растений. Общими для всех 3-х зональных групп ЛФ являются 154 вида; для 2-х групп лесостепных флор – 83 вида; для ЛФ северной лесостепи и ЛФ горной тайги – 37 видов; для ЛФ южной лесостепи и ЛФ горной тайги – 37 видов. Только в одной из 3-х выделенных зональных групп отмечены 248 видов, в том числе: в группе ЛФ северной лесостепи – 79 видов; в группе ЛФ южной лесостепи – 107 видов; в группе ЛФ горной тайги – 62 вида.

Формирование растительного покрова техногенных экотопов происходит за счет растений местной флоры, в том числе гемерофобов, и широко представленных в местной флоре инвазионных видов, появляющихся на отвалах (Erucastrum gallicum, Panicum miliaceum, Pilosella novosibirskensis, Euphorbia helioscopia, Panicum miliaceum). Фитоценотическое окружение и климатические условия задают направление сукцессии по пути формирования зональных сообществ.

Число видов сосудистых растений в 8-ми парциальных флорах техногенных местообитаний колеблется незначительно: самые богатые насчитывают 158-160 видов, самые бедные – около 110-115 видов. Различия по числу видов наблюдаются между ПФ относительно благоприятных местообитаний (ПФ 6, 7, 8) и ПФ умеренных, неблагоприятных местообитаний (1, 2, 4, 5). Самые богатые по числу видов – благоприятные местообитания на выровненных поверхностях песчаниковых отвалов (161 вид), очень близка по этому показателю ПФ лессовидных суглинков (158 видов). Наименьшее число видов (110) в ПФ неблагоприятных местообитаний склонов и умеренных местообитаний на пологих склонах песчаниковых отвалов. Изменение числа видов в ПФ отвалов в значительной степени зависит от уровня благоприятности экологических условий местообитаний, а именно от типа горных пород, степени их выветрелости, а также от экспозиции склона и местоположением площадки на склоне. Наибольшее видовое богатство присуще ПФ экотопов с высоким содержанием в субстрате частиц мелких фракций, а также в местообитаниях отвалов лессовидных суглинков. Экотопы ПФ6 обладают самым широким спектром экологических условий, что обеспечивает поселение видов с разными экологическими требованиями.

Всего в восьми ПФ зафиксировано 264 вида (табл. 4). Доля облигатных видов составляет 27,3%, факультативных – 72,7%. В каждой отдельной ПФ, доля случайных видов чрезвычайно мала и составляет по отдельным ПФ 2-7%. Лишь в ПФ7 и ПФ8 достигает 17-18%, за счет внедрения в техногенно-производные фитоценозы видов зональной флоры, которые поселяются в этих благоприятных по факторам влажности и трофности техногенных экотопах. Основу флористического состава составляют облигатные виды. Их доля в сложении растительных группировок неблагоприятных местообитаний достигает 59-64%.

Таблица 4

Абсолютное число видов с различной широтой экологической амплитуды
в парциальных флорах техногенных местообитаний

Категория экологической амплитуды

Парциальная флора типа местообитаний

ПФ1

ПФ2

ПФ3

ПФ4

ПФ5

ПФ6

ПФ7

ПФ8

Общее кол-во

Случайные (I балл)

6

4

3

9

3

9

28

22

45

Спорадические (II балла)

10

11

24

16

13

31

29

22

35

Нерегулярные (III балла)

8

11

16

9

10

21

15

7

62

Регулярные (IV балла)

17

19

16

17

14

27

17

15

50

Облигатные (V баллов)

69

70

71

70

69

72

69

67

72

Всего видов

110

115

130

121

109

160

158

133

264

В составе облигатных видов преобладают синантропные виды, их доля составляет 57%. У регулярных видов доля синантропных видов снижается до 22%, но возрастает доля лесных (28%) и луговых (20%) растений. У нерегулярных видов доля синантропных видов составляет 21, а в составе спорадических и случайных 57 и 44% соответственно.

Вне зависимости от экологических условий, складывающихся на молодых и средневозрастных отвалах основу растительных сообществ, составляют синатропные виды. Обойма этих видов сравнительно невелика для лесостепной зоны Кузнецкой котловины это Taraxacum officinale, Artemisia sieversiana, Sonchus arvensis, Salsola collina, Brassica juncea, Polygonum aviculare, Lactuca serriola;  для северной лесостепи – Taraxacum officinale, Cirsium setosum, Achillea millefolium, Melilotus officinalis, Sonchus arvensis, Tussilago farfara, Trifolium pretense, Linaria vulgaris, Pastinaca sylvestris, Artemisia vulgaris; в таежной подзоне к этому списку добавляется Trifolium hybridum, Chamerion angustifolium, Erigeron сanadensis, Leontodon autumnalis. Эти виды обладают высокой активностью при формировании растительных сообществ на отвалах.

Формировании фитоценозов техногенных экотопов проходит в 3 стадии: пионерная растительная группировка, простая группировка, сложная группировка. Четвертого состояния – замкнутого фитоценоза на отвалах Кузбасса не обнаружено. Определены основные количественные признаки растительных группировок, которые изменяются в ходе сукцессии: общее проективное покрытие, общее число видов, число видов зональной флоры, рудеральной флоры и их соотношение, количество ярусов вертикальной структуры формирующихся сообществ.

Характеристика пионерной стадии. Диагностическими признаками пионерной стадии является низкое проективное покрытие (1-15%). Количество видов в различных природных подзонах примерно одинаково и составляет 10-15 видов. На пионерной стадии сингенеза отмечено незначительное участие растений из состава зональной флоры, разрозненность произрастающих растений, которые взаимодействуют только с абиотической средой и не зависят друг от друга. В начале заселения на поверхности отвалов формируются следующие пионерные группировки: 1) одновидовые группировки, образованные малолетними рудералами (Salsola collina, Melilotus officinalis, Artemisia sieversiana; 2) многовидовые группировки, с участием нескольких рудеральных видов; 3) группировки с участием корневищных многолетников (Vicia cracca, Poa pratensis, Agrostis gigantea, Dactylis glomerata); 4) группировки с участием древесных видов (Salix cinerea, Padus avium, Betula pendula, Populus tremula, Sorbus sibirica).

Пионерная флора отвалов Кузбасса насчитывает 230 видов, или около 15% всей флоры Кемеровской области. Количество растений-пионеров заселяющих отвалы во всех природно-климатических подзонах составляет 67 видов. Большинство из них принадлежат к малолетним монокарпикам из состава рудеральной растительности. Главные ранги на пионерной стадии принадлежат традиционным семействам (Asteraceae, Poaceae, Fabaceae и Rosaceae), а также  сем. Brassicaceae (III ранг). Среди жизненных форм преобладают малолетние монокарпики, а также равные с ними по доле корневищные многолетники. Подавляющее большинство пионерных видов имеют широкие ареалы – голарктический, паневразийский и космополитный. Основу флористического списка растений-пионеров составляют рудеральные виды, однако 2/3 видов принадлежат к естественным эколого-ценотическим группам (ЭЦГ). При этом в южной лесостепи выше доля рудеральных, сегетальных и лугово-степных видов; в северной лесостепи – лесных и луговых; в горно-таежной – таежных и прибрежно-водных видов.

Наиболее резкие отличия в списках растений-пионеров наблюдаются  между горно-таежной подзоной и лесостепью. В лесостепи при заселении отвалов наибольшую роль играют травянистые растения, в то время как в горных условиях в этом процессе активно участвуют виды деревьев и кустарников: Betula pendula, Salix cinerea, Populus nigra, Sorbus sibirica, Rubus idaeus, Pinus sibirica. К наиболее активным видам (с КП III и IV) относятся всего 5 видов Artemisia sieversiana, Sonchus arvensis, Taraxacum officinale, Salsola collina и Tussilago farfara.

Характеристика стадии простой группировки. На второй стадии зарастания происходит усложнение растительных группировок за счет видов с активным семенным и вегетативным размножением, способных за короткое время захватить большие территории. Количество видов в группировке может достигать 20 видов и более. Между отдельными подзонами больших и достоверных отличий по количеству видов в группировках не наблюдается. Так же как и на пионерной зоне отмечается высокая вариабельность данных, коэффициент вариации достигает 30-40% несмотря на достаточно большое количество повторностей. Общее проективное покрытие более 15%. Существенно повышается число видов, усложняется вертикальная структура сообществ.

Всего на отвалах вскрышных горных пород угольных предприятий Кузбасса в трех природно-климатических подзонах было выявлено 394 вида растений из состава простых растительных сообществ, по сравнению с пионерной стадией увеличение количество видов на второй стадии возрастает на 164 вида, или на 70%. Состав первых пяти семейств не меняется, однако ранг сем. Brassicaceae резко снижается, поскольку не происходит увеличения списка за счет новых видов. На этой стадии основной прирост видов происходит за счет травянистых поликарпических растений (стержнекорневых и корневищных), доля которых резко возрастает и в сумме превышает долю малолетников.

В сравнении с пионерной стадией увеличивается число паневразийских и голарктических видов (на 37%). Значительный рост отмечен в группах восточно-европейско-азиатских, европейско-северо-азиатских, евросибир-ских, сибирских и среднеазиатских видов. За счет формирования на этой стадии фитосреды и улучшения условий биотопа происходит массовое поселение не только сорных видов, но и видов зональных фитоценозов. Доля видов естественных ЭЦГ возрастает до 75%. На этом этапе возможно детерминирование экотопом направленности сингенеза в сторону образования леса (одновидовые сообщества березы), либо в сторону образования травянистых сообществ. В лесостепной зоне преобладание имеют луговые, лугово-степные и рудеральные виды. В горной тайге отмечена наибольшая доля принадлежит таежным и прибрежно-водным растениям.

На второй стадии сингенеза к наиболее активным относятся 10 видов: Tussilago farfara (IV), Taraxacum officinale (IV), Artemisia sieversiana (IV), Sonchus arvensis (IV) – сохраняющих свое преимущество с первой стадии;  Linaria vulgaris (III), Cirsium setosum (III), Artemisia vulgaris (III), Chamaenerion angustifolium (III), Cirsium vulgare (III), Dactylis glomerata (III) – резко наращивающие свое присутствие в простых группировках.

Характеристика стадии сложной группировки. На данной стадии появляются хорошо оформленные растительные ярусы, которые формируются видами-эдификаторами растительных сообществ. Критериями стадии являются также образование сомкнутого растительного покрова, в котором доминируют виды естественных фитоценозов. Емкость фитоценозов составляет от 20 до 40 (60) видов. Характерно резкое увеличение количества видов в таксонах ранга семейства, родов и видов. От естественных фитоценозов группировки этой стадии отличает значительное участие в видовом составе сорных растений (до 15%).

Стадия сложной группировки на отвалах вскрышных горных пород Кузбасса насчитывает 407 видов растений и количественно не слишком отличается от общего списка флоры второй стадии простого фитоценоза (394 вида). Порядок семейств приобретает черты свойственные естественным флорам региона. Из спектра ведущей десятки выбывают Brassicaceae, Polygonaceae, Chenopodiaceae, Onagraceae, Boraginaceae. В условиях техногенного ландшафта порядок рангов ведущих семейств, сходный с зональным, является диагностическим признаком и определяет переход к третьей стадии сукцессии.

Эколого-биологический анализ выявил, что на третьей стадии сукцессии не происходит значительного увеличения древесных и полудревесных жизненных форм, это означает, что основной состав деревьев, кустарников и полукустарников осваивает техногенные экотопы на первых двух стадиях сукцессии. Наращивание количества видов на стадии сложного фитоценоза происходит за счет травянистых многолетников, главным образом коротко- и длиннокорневищных растений (их доля составляет 44,2%). На третьей стадии заселяются луковичные растения и резко снижается доля одно-, двулетних растений (по сравнению со второй стадией на 42%).

Выявлено 18 активных видов (с КП выше II) характерных для III стадии сложной группировки. В их числе все активные виды II стадии, за исключением однолетников (Artemisia sieversiana и Melilotus officinalis). Многолетние корневищные рудералы (Tussilago farfara, Taraxacum officinale, Sonchus arvensis), продолжают удерживать свои позиции на стадии сложного фитоценоза (табл. 7).

Таблица 7

Наиболее активные виды отвалов угольных предприятий Кузбасса

Вид

I стадия

II стадия

III стадия

LST1

LST2

GT

LST1

LST2

GT

LST1

LST2

GT

Matricaria perforata

-

II

27

II

31

-

II

39

II

33

-

-

-

Chamerion angustifolium

-

II

24

III

45

II

23

III

47

III

47

-

IV

70

III

46

Artemisia vulgaris

-

II

24

II

21

II

37

III

65

II

33

IV

64

V

81

III

58

Vicia cracca

-

II

23

-

-

III

40

II

30

IV

68

IV

72

-

Elytrigia repens

-

II

22

-

-

II

35

-

-

-

-

Betula pendula

-

-

II

36

-

II

20

III

49

III

45

III

45

V

88

Leontodon autumnalis

-

-

II

33

-

-

III

40

-

-

-

Salix cinerea

-

-

II

31

-

-

II

28

-

III

45

-

Dactylis glomerata

-

-

II

29

II

29

III

43

II

39

V

82

V

86

III

50

Picris hieracioides

-

-

II

26

-

II

29

-

-

III

49

-

Trifolium hybridum

-

-

II

26

-

-

III

46

-

-

-

Agrostis gigantea

-

-

II

26

-

II

22

II

28

-

-

-

Prunella vulgaris

-

-

II

24

-

-

II

39

-

-

III

54

Rubus idaeus

-

-

II

21

-

-

III

53

-

-

III

54

Medicago lupulina

-

-

II

21

-

II

23

III

40

-

-

III

50

Sorbus sibirica

-

-

II

21

-

-

-

-

-

III

58

Urtica dioica

-

-

II

21

-

-

-

-

-

-

Продолжение таблицы 7

Pinus sibirica

-

-

II

21

-

-

-

-

-

-

Achillea millefolium

-

-

-

II

32

II

36

-

IV

77

IV

74

-

Festuca pratensis

-

-

-

II

29

II

25

-

IV

64

-

-

Trifolium pratense

-

-

-

II

28

II

23

II

21

IV

68

III

49

-

Centaurea scabiosa

II

21

-

-

IV

68

-

-

Poa pratensis

-

-

-

-

II

39

II

32

III

50

IV

73

III

46

Leucanthemum vulgare

-

-

-

-

II

32

-

-

III

54

-

Lathyrus pratensis

-

-

-

-

II

21

-

-

IV

76

-

Epilobium montanum

-

-

-

-

-

II

35

-

-

-

Hieracium umbellatum

-

-

-

-

-

II

21

-

-

-

Fragaria vesca

-

-

-

-

-

II

21

-

-

-

Phleum pratense

-

-

-

-

-

-

III

50

-

-

В числителе – класс постоянства (КП), в знаменателе – встречаемость в описаниях (в %).

LST1 – южная лесостепь; LST2– северная лесостепь; GT – горная тайга.

На пионерной стадии условия экотопов не оказывает существенного влияния на количество видов в растительных группировках (рис. 7). Число видов на I стадии сукцессии во всех вариантах варьирует от 1 до 27, а среднее количество составляет 14-15 видов. Влияние экологических условий отвалов на количество видов в группировках растений проявляется в большей степени на последующих сукцессионных стадиях.

В подзоне северной лесостепи и горной тайги число видов в благоприятных условиях местообитаний достоверно выше, чем в неблагоприятных и умеренно благоприятных и достигает максимальных значений (от 10 до 30 видов – в горно-таежной и от 20 до 60 – в северной лесостепи).

Рис. 7. Влияние степени благоприятности экологических факторов на поселение растений в разных природно-климатических условиях (шт./25 м2).
1, 2, 3 – стадии растительной сукцессии; Местообитания: а – неблагоприятные; b – умеренно благоприятные; с – благоприятные. Отрезки: среднее ± 0,95 дов. интервал.

Сравнение флористических списков стадий сукцессии в разных природно-климатических подзонах (рис. 8) показало, что наибольшие различия между собой обнаруживают списки 2-х первых стадий – пионерной и простой группировки. Таким образом, зональные черты особенно отчетливо проявляются на начальных стадиях заселения отвалов растениями. Однако, флористические списки южной и северной лесостепи к стадии сложной группировки значительных отличий не имеют. Особенности зарастания отвалов в горно-таежной подзоне проявляются на пионерной стадии и сохраняются до конца сукцессии.

Рис. 8. Дендрограмма сходства флористических списков по стадиям сукцессии и природно-климатическим подзонам  (Czekanowski, 1932).

Подзоны: LST1 – северная лесостепь; LST2 – южная лесостепь; GT – горно-таежная.
I, II, III – стадии растительной сукцессии.

В Главе 6. Основные критерии и интегральный показатель пригодности нарушенных земель к рекультивации Разработан интегральный показатель состояния техногенно нарушенных территорий (i), который  рассчитывается по аккумулятивной формуле, учитывающий сумму баллов по каждому показателю, при наличии древесных растений добавляется индекс поврежденности деревьев (Dv) и умножается на климатический коэффициент (Kk), равный показателю увлажнения:

i = Kk (Of+Pl+D+ Su+Sch + H+(Dv), где

i - интегральный показатель состояния техногенно нарушенных территорий; Kk – показатель увлажнения; Of – баллы по орографическому фактору;  Pl – баллы потенциального плодородия; D – плотность техногенного элювия; Su – стадии сукцессии; Sch – коэффициент сходства Съёренсена-Чекановского; Dv – индекс поврежденности древостоя.

При подсчете индекса учитывались следующие факторы: орографический (Of) (пологий рельеф, средняя крутизна); потенциальное плодородие (Pl) (плодородные, потенциально пригодные, малопригодные); плотность техногенного элювия (D) (рыхлые, среднеплотные, плотные), влажность субстратов (H) (сухие, свежие, влажные, сырые); стадии сукцессии (Su) (сложный фитоценоз, простой фитоценоз, пионерная группировка); коэффициент сходства Съёренсена-Чекановского (Sch) (высокий, средний, низкий); индекс поврежденности древостоя, Dv ( 20%, 20 – 49%, 50%  и ), для каждой градации устанавливались баллы от 1 до 3.

В зависимости от суммы баллов определяется класс состояния экосистем нарушенных территорий (табл. 8). Выделены самовосстанавливающиеся, частично-, слабо- и невосстанавливающиеся экосистемы. Данный интегральный показатель, возможно с изменениями и дополнениями, может явиться основой для зонирования техногенно нарушенных территорий и планирования рекультивационных работ.

Таблица 8

Интегральная оценка пригодности нарушенных земель для рекультивации

Класс перспективности восстановления экосистемы

Сумма баллов

Рекомендации

1. Самовосстанавливающаяся

Менее 15

Экосистема самовосстанавливающаяся, не требующая вмешательства и проведения дополнительных мер по рекультивации

2. Частично восстанавливающаяся

12-15

Экосистема самовосстанавливается удовлетворительно, но требуется частичная рекультивация на отдельных участках.

3. Слабо восстанавливающаяся

9-11

Экосистема восстанавливается слабо и  требуется проведение биологического этапа рекультивации

4. Невосстанавливающаяся

Менее 9

Для восстановления экосистемы необходимо проведение всего комплекса работ по горно-техническому и биологическому этапам.

Данная классификация легла в основу разработки Проектов рекультивации железнодорожного отвала «Южный» Кедровского угольного разреза (2008), отвалов ООО «Участок Коксовый (2010) и консервируемого гидроотвала Сартакинского угольного разреза (2011). 

ВЫВОДЫ

1. Отвалы угольной промышленности Кузбасса обладают широким спектром экологических условий и потенциально пригодны для поселения растений.

2. К отрицательным экологическим факторам на отвалах следует отнести недостаток продуктивной влаги, провальная водопроницаемость, контрастный температурный режим на разных элементах рельефа; низкое потенциальное плодородие эмбриоземов. К положительным – высокая влажность в понижениях, большое содержание мелкозема в нижней части слонов отвалов, избыточное накопление снега в зимний период на отдельных участках отвалов.

3. Количество растений, поселяющихся на отвалах угольных предприятий Кузбасса насчитывает 557 видов из 300 родов и 79 семейств, что составляет около 1/3 от общего числа флоры Кемеровской области. На отвалах поселяются редкие растения, в их числе 14 видов из Красной книги Кемеровской области. Впервые для территории области зафиксировано 12 новых таксонов – 4 рода и 8 видов.

4. На нарушенных землях выделено 8 техногенных экотопов, характеризующихся различным микрорельефом, уровнем влажности, количеством мелких фракций техногенного элювия, определяющие благоприятные, умеренно благоприятные и неблагоприятные условия для зарастания нарушенных земель.

5. Экологическая структура флоры техногенных экотопов соответствует природным. По сравнению с ненарушенными участками во флоре  увеличивается доля космополитов, основу которых составляют сорные растения, и уменьшается доля стенотопных среднеазиатских и сибирских видов. Основу парциальных флор техногенных экотопов составляют наиболее распространенные виды окружающих фитоценозов.

6. На отвалах Кузбасса было выделено 3 стадии сингенеза: пионерная стадия, простой растительной группировки и сложной растительной группировки. Стадии зонального фитоценоза на отвалах не обнаружено. В основе диагностических признаков входят проективное покрытие, характер размещения растений, число видов, участие зональных видов. Выделенные критерии имеют универсальный характер и могут быть применимы к большинству отвалов.

7. Скорость сингенетических сукцессий в меньшей мере зависит от календарного возраста отвалов, а в большей от местных экологических условий, которые складываются на отдельных участках отвалов. 

8. Самозарастание отвалов Кузбасса зависит от природно-климатических условий конкретной подзоны и выражается в количественном и качественном составе видов растений, поселяющихся на отвалах. 

9. Разработан интегральный показатель пригодности отдельных участков отвалов с учетом климатического, литологического, орографического, агрохимического, экологического факторов, а так же состояния растительного покрова. С помощью данного показателя можно ранжировать участки на отработанных отвалах для целей рекультивации, при этом сократив издержки на восстановление тех участков, где растительный покров уже сформировался самостоятельно.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования России:

  1. Манаков Ю.А., Куприянов А.Н. Диагностические критерии сингенетических сукцессий на отвалах Кузбасса // Экология урбанизированных территорий. – №2. – 2009. – С. 82-85.
  2. Манаков Ю.А., Куприянов А.Н., Баранник Л.П. Оценка выращивания древесных пород на отвалах угольных предприятий Кузбасса // Вестник КрасГАУ. – Вып 4. – 2009. – С. 94-99.
  3. Манаков Ю. А. Парциальные флоры техногенных экотопов Кузбасса // Вестник ОГУ. – №9 (103). – 2009. – С. 104-109.
  4. Манаков Ю.А., Куприянов А.Н. Критерии для диагностики первичных стадий сукцессии на отвалах Кузбасса // Горный инф.-аналит. бюлл. – 2009. – №ОВ7. – С. 186-193.
  5. Стрельникова Т.О., Манаков Ю.А.  Особенности флоры отвалов угольных разрезов Кемеровской области // Вестник ТГУ. – №2 (10). – Сер. Биология. – 2010. – С. 44-57.
  6. Манаков Ю.А., Куприянов А.Н. Экологическая амплитуда растений в условиях местообитаний техногенного ландшафта // – Вестник ОГУ. – №4 (110). 2010. – С. 107-111.
  7. Куприянов А.Н., Манаков Ю. А. Интегральный показатель состояния нарушенных земель после добычи угля // Вестник КрасГАУ. – Вып 3. – 2010. – С. 29-35.
  8. Манаков Ю. А. Анализ пионерной стадии сингенеза на отвалах песчаниковых пород // Вестник АлтГАУ. – 2010. – №5 (67). – С. 49-55.
  9. Манаков Ю. А., Уфимцев В.И. Применение черенков ивы для биологической рекультивации склонов отвалов // Вестник НГАУ. – №4 (16). – 2010. – С. 22-27.
  10. Куприянов А.Н., Манаков Ю.А., Лазарев К.С. Натурализация древесных видов на отвалах горных пород Кузбасса // Вестник КрасГАУ. – 2011. – №9. – С. 130-133.
  11. Уфимцев В.И., Манаков Ю.А. Условия произрастания сосны обыкновенной на эмбриоземах Кузбасса // Вестник АлтГАУ. №3 (77). 2011.  С. 64-67.


В монографиях:

  1. Манаков Ю.А. Биосферный мониторинг экологической обстановки на ликвидируемых шахтах. В кн. «Экологические проблемы угледобывающий районов при закрытии шахт» /под ред. Г.И. Грицко, Е.Л. Счастливцева, В.И. Овденко. – Кемерово: ИД «Азия», 2001. – С. 120-127.
  2. Этнологическая экспертиза. Этнополитические, социально-экономические и этнодемографические процессы в среде телеутов Беловского и Гурьевского районов Кемеровской области / В.И. Бойко, А.Н. Садовой и др. – Вып. 2. – Новосибирск: Параллель, 2008. – 232 с.
  3. Ключевые ботанические территории Кемеровской области / Т.Е. Буко, С.А. Шереметова, А.Н. Куприянов, Н.Н. Лащинский, Ю.А. Манаков, Г.И. Яковлева. – Кемерово: КРЭОО «Ирбис», 2009. – 112 с.
  4. Куприянов А.Н., Манаков Ю.А., Баранник Л.П. Восстановление экосистем на отвалах горнодобывающей промышленности Кузбасса. – Новосибирск: Акад. Изд-во «Гео», 2010. – 160 с.
  5. Пути повышения эффективности и экологической безопасности открытой добычи твердых ископаемых / Раздел III. Оценка техногенного воздействия горных работ на окружающую среду и разработка рекомендаций по снижению их негативных последствий /  Е.Л. Счастливцев, С.Г. Пушкин, А.А. Быков, Ю.А. Манаков и др. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. – С. 179-224.
  6. Манаков Ю.А., Стрельникова Т.О., Куприянов А.Н. Формирование растительного покрова в техногенных ландшафтах Кузбасса. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. – 180 с.

В региональных сборниках научных работ и материалах конференций:

  1. Куприянов А.Н., Манаков Ю.А. Поселение растений на отвалах вскрыши // Бот. иссл. Сибири и Казахстана. – Барнаул: Изд-во Алт.  ун-та, 1995. – Вып. 1. – С. 222-228.
  2. Манаков Ю.А., Скобликов С.А. Влияние микрорельефа на формирование пионерных группировок растений // Бот. иссл. Сибири и Казахстана. – Барнаул: Изд-во Алт.  ун-та, 1996. – Вып. 2. – С. 148-154.
  3. Манаков Ю.А. Сосудистые растения отвалов вскрышных пород Кедровского угольного разреза // Бот. иссл. Сибири и Казахстана. – Барнаул: Изд-во Алт.  ун-та, 1997.  – Вып. 3. – С. 41-54.
  4. N.F. Protopopov, Yu.A. Manakov, B.R. Striganova. Vermitechnology for the Remediation of Degraded Soils in Western Siberia. Remediation and Management of Degraded Lands. – Boca Raton, USA: Lewis Publishers, 1999. – P. 343-347.
  5. Манаков Ю.А. Биологическое разнообразие и горнодобывающая промышленность в Кемеровской области // Рекультивация нарушенных земель в Сибири.  – Кемерово: ИНТ, 2005. – Вып. 1. – С. 39-48.
  6. Манаков Ю.А. Рекультивация отвалов горных пород в Кузнецком угольном бассейне / Материалы Междунар. научно-практич. конф. – Павлодар: Изд-во ПАУ, 2006.  – Т. 3. – С. 34-37.
  7. Манаков Ю.А., Морсакова Ю.В. Приживаемость и рост сосны обыкновенной в первые годы жизни на отвалах горных пород // Флора и растительность антропогенно нарушенных территорий. – Кемерово, 2006. – Вып. 2. – С. 7-16.
  8. Куприянов А.Н., Манаков Ю.А. Судьба гемерофитов, поселяющихся на отвалах угледобывающих предприятий / Синантропизация растений и животных. – Иркутск, 2007. – С. 183-187.
  9. Куприянов А.Н., Манаков Ю.А. Динамика зарастания отвала вскрыши бывшего Федоровского угольного месторождения за 30 лет // Рекультивация нарушенных земель в Сибири. – Кемерово, 2008. – Вып. 3. – С. 45-55.
  10. Лукьянцев С.В., Манаков Ю.А. Тараканы Shelfordella tartara (Dictyoptera: Blattidae) в отвалах вскрышных работ Кедровского угольного разреза. Тр. кем. отд. Рус. энтом. об-ва. – Кемерово: Юнити, 2008. – Вып. 6. – С. 76-78.
  11. Манаков Ю.А. Нарушенные земли Кузбасса: путь решения проблем – Фонд рекультивации //Экобюллетень. Экология Сибири: практика решения проблем. – Новокузнецк: Изд-во ИНЭКА, 2008. – №4 (129). – С. 29-33.
  12. Эбель А.Л., Яковлева Г.И., Манаков Ю.А. Erucastrum gallicum (Brassicaceae) – новый для Сибири адвентивный вид // Систематические заметки. – Томск: Изд-во ТГУ, 2008. – № 99. – С. 11-14.
  13. Манаков Ю.А., Куприянов А.Н. Экономические механизмы рекультивации нарушенных земель в Кузбассе // Экологические проблемы промышленных городов / Сб. науч. тр. Часть 1. – Саратов: Изд-во Саратовского гос. тех. ун-та, 2009. – С. 112-114.
  14. Манаков Ю.А., Стрельникова Т. О., Куприянов А. Н.  Особенности формирования растительного покрова на старовозрастном отвале известняков и глин  // Рекультивация нарушенных земель в Сибири.
    – Кемерово, 2009. – Вып. 4. – С. 44–50.
  15. Манаков Ю.А., Куприянов А.Н. Перспективы создания охраняемых природных территорий на нарушенных землях в Кузбассе // Сб. ст.: Антропогенная трансформация природной среды. – Пермь: Изд-во Перм. гос. ун-та, 2010. – Т.2.  – С. 124-129.
  16. Манаков Ю.А. Зональные особенности группировок растений на отвалах Кузбасса / Материалы IV Междунар. научной конференции. – Томск: Изд-во Том. ун-та,  2010. – С. 109-112.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.