502.654 глазырина маргарита александровна особенности формирования флоры и растительности в условиях отвалов и карьеров открытых угольных разработок (на примере челябинского буроугольного бассейна)
На правах рукописи
УДК 574: 581.9: 502.654 Глазырина Маргарита Александровна ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФЛОРЫ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ ОТВАЛОВ И КАРЬЕРОВ ОТКРЫТЫХ УГОЛЬНЫХ РАЗРАБОТОК (НА ПРИМЕРЕ ЧЕЛЯБИНСКОГО БУРОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА) 03.00.16 - экология, 03.00.05 - ботаника
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Екатеринбург 2002
Работа выполнена в Уральском государетвенном университете им. А. М. Горького 1 тучный руководитель кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ЧИБРЙК ТАМАРА СЕМННОВНА доктор биологических наук, профессор Официальные ошюиенш:
МАХНЕВ АФРИКЛН КУЗЬМИЧ доктор биологических наук, профессор КУЛАГИН АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ Центральный сибирский ботанический сад СО РАН
Ведущая организация:
Зашита диссертации состоится " 40 " 2002 года в 'it) масон на заседании Диссертационною совета Д 004.005.01 в 'Институте экологии растеши') и животных УрО РАН но адресу: 620144. i. Екатеринбург, ул 8 Марта, 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и животных УрО РАМ " QQ " Автореферат разослан fc-QJL-Mutj 2002 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук Нифонтова М. Г
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Добыча полезных ископаемых открытым способом в России ведется давно, при этом возникают огромные по площади нарушения земельных угодий, образуются карьерно-отвальные комплексы различного типа, на которых полностью уничтожаются рас тительный и почвенный покровы.
В связи с этим, большое значение имеет изучение процесса восста новления разнообразия флоры и растительности данных нарушенных территорий, формирования фитоценозов, а также создание научно обоснованной системы мероприятий по сохранению и поддержанию биологического разнообразия на нарушенных промышленностью зем лях при их самозарастании и биологической рекультивации.
Цель и задачи исследования. Цель нашего исследования заключа лась в определении современного состояния флоры и растительности нарушенных территорий в Челябинском угольном бассейне (ЧУБ) и оценке их способности к самовосстановлению в процессе естественных сукцессии и после биологической рекультивации, проведенной в Кор кинском угольном карьере. Для этого необходимо было решить сле дующие задачи:
1. Выявить видовой состав и провести сравнительный анализ ло кальных флор отвалов и карьеров открытых угольных разработок по систематической и биоэкологической структурам, дать характеристику их динамики.
2. Изучить закономерности формирования фитоценозов в процессе самозарастания нарушенных территорий и трансформации созданных экспериментальных культурфитоценозов.
3. Дать характеристику и провести анализ состояния интродуциро ванных ценопопуляций многолетних трав, используемых в целях биоло гической рекультивации - Onobrychis arenaria, Medicago media, Bromop sis inermis.
4. Дать характеристику и провести анализ состояния интродуциро ванной ценопопуляций скально-горно-степного субэндемика Урала Dianthus acicularis.
5. Дать оценку экспериментальных посадок.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Получены новые, оригинальные данные о видовом составе, структуре и направ ленности формирования флоры и растительности территорий, нарушен ных при добыче угля открытым способом, о закономерностях формиро вания фитоценозов в процессе самозарастания нарушенных территорий и трансформации созданных экспериментальных культурфитоценозов, о жизнеспособности интродуцированных ценопопуляций многолетних трав, используемых в целях биологической рекультивации - Onobrychis arenaria, Medicago media, Bromopsis inermis, а также интродуцированной ценопопуляций скально-горно-степного субэндемика Dianthus acicularis.
Научные результаты имеют теоретическое значение в качестве эко логической основы биологической рекультивации отвалов и карьеров открытых угольных разработок. Полученные результаты позволяют ближе подойти к решению научной проблемы комплексной эколого биологической оценки адаптации местных и интродуцированных видов высших сосудистых растений и их сообществ как части фундаменталь ной проблемы восстановления автотрофного блока техногенных экоси стем. Полученные данные могут быть использованы для сравнительной оценки флористического разнообразия на локальном и региональном уровнях, а также в обобщающих трудах по флоре Южного Урала.
Практическая значимость. Материалы диссертации содержат оценку современного состояния растительного покрова на нарушенных землях при добыче угля открытым способом в ЧУБ, а также оценку пер спективности использования некоторых испытанных видов многолет них трав, деревьев и кустарников для целей биологической рекультива ции не только Коркинского карьера, а и других нарушенных земель ЧУБ. Выявлено ряд редких и исчезающих видов, которые могут быть интродуцированы в условиях нарушенных промышленностью земель.
Сведения о разнообразии и динамике растительности отвалов и карьеров, а также собранный научный гербарий используется в учебной и научной работе кафедры экологии УрГУ.
Работа выполнялась как раздел комплексных исследований по те мам: "Разработка способов биологической рекультивации на нарушен ных промышленностью землях";
"Исследование состава, структуры и биоразнообразия фитоценозов техногенных ландшафтов (на примере Урала)" Проблемной лаборатории антропогенной динамики экосистем и биологической рекультивации при кафедре экологии УрГУ в рамках программы НИР, а также программы РФФИ "Урал" грант № 01-04 96426. Результаты этих исследований вошли в отчеты лаборатории.
Положения, выносимые на защиту:
1. Флора нарушенных земель открытых угольных разработок ЧУБ характеризуется более низким, в сравнении с естественной флорой, ви довым разнообразием.
2. На нарушенных землях открытых угольных разработок ЧУБ, сло женных породами малопригодными и непригодными для биологической рекультивации, фориИиуЕМ^уишШШёдемшЪ многолетняя, мезофит им. Н. И. ЛОБАЧЕВСКОГО ная, анемохорная, сорно-рудеральная, травянистая растительность. На части территорий наблюдается формирование лесных фитоценозов пар кового либо аллейного типа.
3. Особенности зарастания нарушенных земель по тому или иному типу определяются эдафотопом и условиями заноса семян.
4. Перспективные виды для биологической рекультивации Коркин ского угольного карьера Bromopsis inermis, Onobrychis arenaria и Medi cago media способны натурализоваться на малопригодных с примесью потенциально плодородных породах. Посевы данных видов сохраняют ся более 20 лет в удовлетворительном состоянии.
5. Умелое моделирование экотопов в карьере, посев многолетних трав, посадка деревьев и кустарников подходящего ассортимента спо собствуют увеличению видового и фитоценотического разнообразия растительного покрова карьера и ускоряют его формирование на 15- лет.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: 1-ом Всероссийском научном молодежном сим позиуме "Безопасность биосферы-97" (Екатеринбург, 1997);
научной конференции "Б. П. Колесников - выдающийся отечественный лесовед и эколог. К 90-летию со дня рождения" (Екатеринбург, 1999);
конфе ренции молодых ученых "Биосфера и человечество", посвященной па мяти Н. В. Тимофеева-Ресовского (Екатеринбург, 2000);
Международ ном совещании "Проблемы охраны растительного мира Сибири" (Ново сибирск, 2001);
Международном совещании "Биологическая рекульти вация нарушенных земель" (Екатеринбург, 2002).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них 4 статьи и 15 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, глав, выводов, приложений. Работа изложена на-/^ страницах машино писного текста, содержит 36 таблиц и 3 рисунков, а также прило жений объемом f3 страниц. Библиография включает $3,6 наименова ний отечественных и зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ В данной главе приводится обзор литературы, посвященной изуче нию общих и частных вопросов флоры и растительности, процессов самозарастания нарушенных территорий, а также ценопопуляций куль турфитоценозов, созданных при биологической рекультивации.
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1. Общая характеристика природных условий Челябинского буроугольного бассейна и Корки некого угленосного района ЧУБ находится в пределах лесостепной зоны и расположен на гра нице восточного склона Южного Урала и Зауральской равнины (За уральский пенеплен). Площадь бассейна 1300 км. Открытые разработ ки сосредоточены в центральной и южной части бассейна. В главе при водится характеристика природно-климатических условий, почвенного и растительного покровов ЧУБ. Климат района резко континентальный, умеренно холодный. Годовое количество осадков очень неустойчиво (250-400 мм в год). Даны общая и агрохимическая характеристики по род и грунтосмесей изученных объектов ЧУБ, разработана классифика ция пород по степени пригодности для биологической рекультивации, подавляющее большинство которых, согласно ГОСТу (ГОСТ 17.5.1.03 86), отнесено к группам малопригодных и непригодных.
2.2. Краткая характеристика Коркинского и Батури некою угольных карьеров Коркинский карьер представляет собой многоуступную чашевидную выемку размерами 3 х 2,2 км. Площадь его свыше 800 га, форма округ лая, слегка вытянутая в широтном направлении, глубина его составляет более 500 м. Объем внутрикарьерного пространства достигает около J млрд. M. Поверхность карьера сложена преимущественно запесочен ными глинами, продуктами выветривания песчаников, аргиллитов и алевролитов.
Батуринский карьер представляет собой многоуступную выемку, вытянутую в направлении север-юг. Максимальная глубина 1 8 1 м. По верхность сложена разнообразным сочетанием серых третичных глин, четвертичных суглинков, глин и песков, опок и опоковидных глин, ар гиллитов и алевролитов, углистых аргиллитов и углистых алевролитов, конгломератов.
Для карьеров характерен сложный гидрологический режим. Страти графическое строение этих двух месторождений сходно. Промышлен ная угленосность связана с нижнемезозойскими отложениями.
2.3. Краткая характеристика Коркинских и Красносельского железнодорожных отвалов Общая площадь Коркинских отвалов составляет 1160 га, максималь ная высота - 1 1 5 м. Склоны отвалов почти по всему периметру крутые.
Вывоз пород на отвалы ведется до настоящего времени.
Верхние уступы отвалов образованы грунтосмесями с самых глу бинных слоев. Преобладающий породный состав на отвале №1 - аргил литы, алевролиты, песчаники и запесоченные глины;
на отвале №2, ар гиллиты, алевролиты, углистые аргиллиты и сланцы.
Работы на Красносельском отвале были прекращены в 1972 г. От вальные площади представляют собой относительно выровненные про странства с колебанием рельефа на поверхности в виде гряд в 1-2 м высотой. Площадь отвала 236 га, максимальная высота 37 м. Преобла дающий породный состав на Красносельском отвале - аргиллиты, пес чаники и глины в смеси с четвертичными суглинками.
ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА РАБОТЫ Исследования основаны на долголетних наблюдениях над объекта ми (1988-2000 гг.) и сопоставлены с ранее полученными данными, опубликованными другими сотрудниками лаборатории. Естественное зарастание изучалось на разновозрастных участках отвалов и карьеров.
Обследование площадей проводилось детально-маршрутным методом.
Выделено и описано более 250 ключевых участков по стандартной гео ботанической методике с использованием рекомендаций А. А. Корча гина (1964), В. М. Понятовской (1964). Встречаемость видов оценива лась методом Раункиера путем закладки серии площадок (от 10 до 50) округлой формы по 0,1 м2. Выделение стадий сингенеза производилось на основе схемы, предложенной А. Г. Вороновым и Л. Н. Тагуновой (1957), А. Г. Вороновым (1963, 1973) с уточнением Л. Я. Курочкиной и В. В. Вухрер (1987,). На участках с выраженным древесным ярусом оп ределялся видовой состав древесных, их количество, высота, диаметр ствола на уровне 1,3 м. Подсчитывалось количество подроста и измеря лась его высота. Собрано более 600 листов гербария. Био- и экоморфо логическая характеристика видов дана по литературным данным и с учетом личных наблюдений. Составлен флористический список. Назва ние видов растений приводится по сводке С. К. Черепанова (1981). По рядок расположения семейств растений в списке соответствует системе Кронквиста - Л. А. Тахтаджяна. Составлены схемы формирования рас тительности.
В Коркинском карьере проведены исследования культурфитоцено зов на участках, расположенных на глубине 14 (I участок) и 64 м (И участок) от дневной поверхности (юго-западный и южный борт соот ветственно), заложенных сотрудниками лаборатории промышленной ботаники в 1979 г. Прослежена трансформация экспериментальных посевов с подробным ценопопуляционным анализом наиболее перспек тивных видов: Bromopsis inermis, Onobrychis arenaria и Medicago me dia с использованием общепринятых методов (Ценопопуляции..., 1976-1988;
Злобин, 1989). Изучение ценопопуляции Dianthus acicularis проводилось с помощью ленточных трансект (шириной 50 см) по обще принятым геоботаническим методикам (Корчагин, 1964;
Понятовская, 1964;
Работнов, 1964). На 227 раункиеровских площадках (8=0,25 м ) было проведено картирование гвоздики. Составлена схема распростра нения данного вида. Для характеристики популяции использовались показатели соотношения возрастных групп и индекс плотности (число особей на 1 м ) (Горчаковский, Степанова, 1994).
Данные обработаны на ЭВМ с использованием пакета стандартных программ.
Определение качества семян проводилось в соответствии с ГОСТами (ГОСТ 12038-66, ГОСТ 12042-66, ГОСТ 24933.0-81- ГОСТ 24933.3-81) и статьями Л. И. Томиловой (1976) и Т. И. Плаксиной (1980).
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФЛОРЫ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ ОТВАЛОВ И КАРЬЕРОВ ОТКРЫТЫХ УГОЛЬНЫХ РАЗРАБОТОК 4.1. Восстановление фиторазнообразия на нарушенных землях открытых угольных разработок ЧУБ Флора открытых угольных разработок ЧУБ представлена следую щими отделами высших растений: Bryophyta, Pteridophyta, Gymnosper mae, Angiospermae. Отдел Bryophyta представлен классом Bryopsida, семействами: Entodontaceae и Polytrichaceae, которые содержат по од ному виду. Данный отдел в последующий анализ не включен. Отдел Pteridophyta включает в себя класс Equisetopsida, семейство Equisetaceae. Отдел Gymnospermae представлен классом Coniferopsida, семейством Pinaceae. Отдел Angiospermae составляет 95,92 % флоры, что включает в себя 47 семейств, классу Magnoliopsida принадлежат семейств, 10 - классу Liliopsida.
Уровень видового богатства сосудистых растений составил 368 ви дов, 194 рода (табл. 1). К группе, насчитывающей более 10-ти видов, принадлежит 8 основных семейств, на долю которых приходится 67, % от общего числа видов и 59,79 % от общего числа родов. Преоблада ние маловидовых семейств говорит о миграционном характере изучае мой флоры. Соотношение показателей систематического разнообразия (в/р:в/с:р/с) изучаемой флоры составило 1,8:7,1:4,0, что значительно отличает ее от соотношения показателей флоры Челябинской области (3,0:14,0:4,7) (по данным К. Г. Малютина, 1960). Коэффициент видовой насыщенности флоры отвалов и карьеров меньше в 1,7 раза, видовой насыщенности семейства в 2, родовой насыщенности семейства в 1, раза.
Таблица Систематическая структура парциальных флор отвалов и карьеров открытых угольных разработок ЧУБ (по 10 ведущим семействам) Семейство Коркинский Батуринский Коркинские Красносель- Обший карьер отвалы 1-2 ский отвал карьер I 2 12 12 3 3 3 49 28 43 25 22,99 50 26 20,92 41 22 22,28 66 31 17, Asteraceae 19, 33 22 15 11,96 41 18 26 28 Роасеае 11,72 11, 13, 13, 14 8 7,61 13 6 20 11 5 2 7, Rosaceae 5,24 2,67 4, 24 18 9 9,78 10 15 7 20 9 28 7, 8, Fabaceae 9,68 4, 21 12 15 8 5 4,35 15 11 13 7, 6,42 6, Brassicaceae 8, 5, 15 9 3 3 1,63 21 5 5 8 7 3, 2, Caryophyllaceae 6, 10 5 17 9 6 4 3,26 19 3, 5 5, Chenopodiaceae 9, 4, 7 3 2 9 10 2 4,18 8 2 4,35 3 4, 2, Polygonaceae 4, 6 9 5 5 2, 6 5 5 5 2, 2,42 2,67 2, Apiaceae 7 6 2 3,26 9 2 2 2 5 2,67 2, Salicaceae 3,63 2, Общее число:
239 184 248 видов (в) 151 ролов (р) 43 44 семейств (с) Примечание: 1 - число видов, 2 - число родов, 3 - % от общего числа видов.
При рассмотрении парциальных флор отдельных объектов установ лено, что на отвалах сформировалась их однотипная систематическая структура (табл.1). Структура парциальной флоры Батуринского карье ра отличается своеобразием. Здесь выходит на третье место по числу видов семейство Chenopodiaceae, что связано с приуроченностью видов данного семейства к засоленным субстратам, что характерно для Бату ринского карьера. Парциальная флора Коркинского карьера отличается большим видовым разнообразием семейства Caryophyllaceae, что связа но с искусственным внедрением видов данного семейства в ходе прове дения экспериментов по биологической рекультивации (1976-1982 гг.).
Анализ динамики систематической структуры парциальных флор объ ектов за 13 лет показал, что с возрастом происходит увеличение доли участия и разнообразия видов древесных растений. Видовое разнообра зие древесных увеличилось: в Коркинском карьере - в 8 раз, в Батурин ском - в 4, на Коркинских отвалах - в 5,75, на Красносельском отвале в 3,14 раза.
Индекс видового сходства Чекановского-Съеренсена (Песенко, 1982) парциальных флор изученных объектов изменяется от 0,60 до 0,81. Сравнение коэффициентов Чекановского-Съеренсена с получен ными ранее (Чибрик, Елькин, 1991) показывает увеличение числа видов и величин коэффициентов на всех анализируемых техногенных объек тах. Вероятно, происходит процесс конвергенции парциальных флор, сопровождающийся увеличением сходства.
Анализ биоэкологической структуры парциальных флор открытых угольных разработок ЧУБ показал, что на нарушенных землях форми руется преимущественно многолетняя, мезофитная, анемохорная, сор но-рудеральная, травянистая растительность. Многолетние растения составляют 244 вида (66,31 % от общего числа видов), мезофиты - (50,81 %), анемохоры - 158 видов (42,94 %). Среди разнообразия цено тических групп, обусловленного большой пестротностью и разным воз растом местообитаний, преобладают сорно-рудеральные и луговые ви ды - 87 (23,64 %) и 69 видов (18,75 %) соответственно. Доля участия сорно-рудеральной растительности выше во флоре Батуринского карье ра. Красносельский отвал занимает первые позиции по доле участия групп лесных, лесо-степных, степных и переувлажненных местообита ний.
Доля галофитов от общего числа видов невелика - 8,97 %. Число их колеблется от 11 (Красносельский отвал) до 25 видов (Батуринский карьер). Необходимо отметить, что галофитов больше в сложении флор карьеров (в 1,3-2,3 раза), чем отвалов.
Для географического анализа использовали метод биогеографиче ских координат, разработанный Б. А. Юрцевым (1968). В географиче ской структуре ареалогических широтных групп преобладают бореаль ная и полизональная 41,03 % (151 вид) и 27,99 % (103 вида) соответст венно, лесостепная широтная группа занимает лишь третье место по числу видов (57 видов - 15,49 %). Доля бореальных видов выше в Кор кинском карьере, полизональных - в Батуринском, лесостепных и немо ральных - на Красносельском отвале, а степных - на Коркинских отва лах 1-2. Среди ареалогических долготных групп существенно выделяет ся евразиатская группа 47,55 % (175 видов), значительно отстают от нее европейская, циркумполярная и плюрирегиональная группы - 63 вида (17,12 %), 50 (13,59 %) и 39 (10,60 %) соответственно.
4.2. Динамика фитоценозов, формирующихся на нарушенных землях открытых угольных разработок ЧУБ Схема формирования фитоценозов на изученных объектах составле на по их фактическому состоянию с точной фиксацией их возраста по маркшейдерским данным.
Коркинские отвалы. При благоприятных условиях заноса семян в те чение 1-2 лет формируются фитоценозы однолетников с проективным покрытием (п.п.) до 80-100 %. На стадии сложной растительной груп пировки в ряде сообществ наблюдаются групповые заросли ив, единич но береза и осина. С возрастом фитоценозов при наличии источника семян внедрение деревьев и кустарников продолжается, а их эдифика торная роль усиливается. На сильно переувлажненных участках с за стойкой водой или у подножия отвалов на выходе фунтовых вод, пер воначально формируются заросли тростника высотой до 2 м. По мере высыхания подобных участков заросли тростника сменяются разно травно-вейниково-тростниковыми, разнотравно-тростниково-вейнико выми, разнотравно-вейниково-критезоновыми и вейниковыми сложны ми растительными фуппировками и фитоценозами. Эта последователь ность может нарушаться образованием злаково-разнотравных расти тельных группировок, находящихся на разной стадии формирования.
По флористическому составу и структуре наиболее близкими к близлежащим зональным фитоценозам являются 20-25-летние разно травно-мятликовые фитоценозы, которые формируются на потенциаль но плодородных породах. На участках этого возраста, сложенные поро дами малопригодными для биологической рекультивации удерживают ся вейниковые фитоценозы часто с обедненным видовым составом, с ясно выраженным доминированием Calamagrostis epigeios, порой по типу одновидовых зарослей. На части территорий наблюдается форми рование лесных фитоценозов паркового типа.
Красносельский отвал. Для отвала характерны три направления за растания: 1-е - травянистые разнотравно-злаково-вейниковые сложные группировки и фитоценозы;
2-е травянистые разнотравно-злаково вейниковые сложные группировки и фитоценозы с единичными деревь ями и кустарниками;
3-е -- лесные фитоценозы с разнотравно-злаково вейниковым травянистым ярусом. Особенности зарастания по тому или иному направлению определяются эдафотопом и условиями заноса се мян. На отвале идет регулярный выпас скота, поэтому в некоторых со обществах наблюдаются элементы пастбищной дигрессии.
Коркинский карьер. В условиях карьера мы имеем дело с многооб разием экотопов и с разной степенью сформированности фитоценозов.
Начальным этапом формирования растительности в карьере является кохиевая простая группировка. Далее возможно развитие сообщества в двух направлениях: 1-е - при постоянном довольно сильном увлажне нии через ряд промежуточных этапов формируются тростниковые со общества с высоким п.п.;
2-е - на верхних уступах карьера через ста дию разнотравно-донниково-полынной сложной растительной группи ровки в зависимости от возраста и эдафических условий формируются:
разнотравно-пырейные, разнотравно-мятликовые либо разнотравно вейниковые фитоценозы. На части территорий наблюдается формиро вание лесных фитоценозов аллейного типа. Формирующиеся расти тельные сообщества довольно близки к зональным.
Батуринский карьер. На формирование растительности в карьере большой влияние оказывает засоленность субстратов. Отмечено два основных направления формирования: 1-е - на сильнозасоленных суб стратах, 2-е — на слабозасоленных и незасоленных субстратах. На силь нозасоленных, умеренно увлажненных субстратах начальным этапом формирования является разнотравная простая группировка, на месте которой, через ряд промежуточных стадий формируется тростниковое растительное сообщество с высоким п.п. На сильнозасоленных субстра тах с различной степенью увлажнения в зависимости от глубины и воз раста, через промежуточные стадии, формируются разнотравные и раз нотравно-злаковые растительные сообщества. На сухих слабозасолен ных субстратах формируются разнотравно-вейниковые и вейниковые растительные сообщества, а на незасоленных субстратах верхних усту пов - разнотравно-пырейные растительные сообщества, находящиеся на разных стадиях формирования.
4.3. Характеристика растительных сообществ нарушенных земель открытых угольных разработок ЧУБ В данном разделе рассматривается формирование фитоценозов на железнодорожных отвалах Коркинского и Красносельского угольных карьеров, а также в Коркинском и Батуринском карьерах в процессе самозарастания. Фитоценозы, возникшие в процессе самозарастания, результат сложного взаимодействия зонально-климатических и кон кретных экологических условий. Флористический состав формирую щихся сообществ в значительной степени определяется условиями ме стообитания, и в первую очередь эдафическими. Следует также под черкнуть важную роль окружающей растительности в этом процессе, являющейся источником заноса диаспор.
Проведенные наблюдения позволили составить общую схему фор мирования растительности ЧУБ (рис. 1).
4.4. Характеристика экспериментальных посевов в Коркинском угольном карьере 20-летние наблюдения за экспериментальными посевами показали, что особый интерес представляют многолетние виды Bromopsis inermis, Onobrychis arenaria и Medicago, media способные натурализоваться в условиях карьера. Неоднородность эколого-фитоценотических условий (условия увлажнения, свойства грунтосмеси, преобладающие виды дикоросы и др.), характеризующая экспериментальные участки, обу словливает различия в структуре ценопопуляций изучаемых видов.
Пространственная структура ценопопуляций Bromopsis inermis, Onobrychis arenaria и Medicago media характеризуется вертикальной и горизонтальной неоднородностью, что проявляется в дифференциации ценобионтов по высоте и равномерном или неравномерном размещении особей в пределах культурфитоценозов. Так плотность ценобионтов В О З Р А С Т У Ч А С Т К О В, лет Группы Свойства субстрата пригод- 6-10 11-20 21-30 30-40 50 и старше 1- ности пород Непри- Сильнокислый Растительность отсутствует годные и засоленный Разнотравно- злаково-кохиевые растительные Кислый и слабо Непри кислый, сильно- группировки (РЗК) годные с примесью Злаково-ра шотравные и разнотравные растительные группировки галофитного типа засоленный малопри- ! Единичные деревья и кустарники (береза, осина, ива) годных Слабо- и средне- Разнотравно-злаково Малопри кохиевые растительные засоленный, годные с группировки примесью непригод- слабокислый, Злаково-разнотравные и разнотравные ных растительные группировки галофитного типа Разнотравно-злаковые и злаково-разнотравные растительные сообщества нейтральный Единичные деревья и кустарники;
лесные фитоценозы аллейного и паркового типа (береза, осина, ива) РЗК | Незасоленный, Малопри годные с слабокислый, Каково-разнотравные и нейтральный примесью азнотравные растительные потен- группировки циально | Разнотравно-злаковые растительные сообщества Злаково-разнотравные растительные сообщества плодо | Разнотравно-злаково-вейниковые растительные сообщества (1, 11, 111, IV) родных Единичные деревья и кустарники. Лесные фитоценозы аллейного и паркового типа (береза, осина, ива) Рис. 1. Схема формирования растительности ЧУБ Примечание: I - разнотравно-вейниковые, II - разнотравно-овсяницево-всйниковыс, III - разнотравно-мятликово-вейниковые, UJ IV - разнотравно-критезоно-вейниковые.
Bromopsis inermis больше на 1-ом участке. Наблюдается зависимость плотности от культуры-предшественника (табл.2). Со временем проис ходит уменьшение общего числа побегов независимо от участка. Пре обладают вегетативные ценобионты. Растения Bromopsis inermis, выра щенные в условиях карьера, образуют доброкачественные семена:
всхожесть семян изменяется в зависимости от участка и года сбора - от 74,5 до 83 % (1990 г.) и от 74 до 76 % (1994 г.).
Таблица Плотность Bromopsis inermis по ценопопуляциям Число побегов, шт. на 1 м Учас- Число ценобионтов, шт.
Культура пред ток шественник среднее генеративные вегетативные lim % % 2 штук на 0,1 м на 0,1 м штук 41. 11-56 38.8 Onobrychis 159 59. I 15. arenaria 0-50 24,0 37 203 84, 14.4 19.4 80. Bromopsis 28 9= 104 90, 0-36 11,5 11 9, inermis ш II 2 12 0- Bromopsis 5А 0-20 92, inermis 3 7, 4, Примечание: в числителе приведены данные за 1989 г., в знаменателе - 1993 г.
Плотность ценобионтов Onobrychis arenaria составила: на 1-ом участ ке 64 особи (659 побегов) на 8 м2, на П-ом - 62 особи (1523 побега) на м2. Ценопопуляция данного вида на 1-ом участке характеризуется дву вершинным возрастным спектром, содержащим две модальные группы.
Первая группа относится к молодой, вторая - к старой части ценопопу ляции, что характерно для длительно живущих стержнекорневых мно голетников с регулярным семенным возобновлением. Основная масса растений находится в генеративном состоянии (78,1 %). Отклонение распределения по возрастному спектру в сторону увеличения числа ге неративных особей, возможно, объясняется ежегодным скашиванием, что мешает естественному процессу семенного возобновления. Для ценопопуляции 11-ого участка характерен левосторонний спектр, абсо лютный максимум в нем приходится на молодые особи (62,3 %). На наш взгляд ценопопуляция Onobrychis arenaria на 1-ом участке является нор мальной полночленной, на Н-ом - инвазионной (Работнов, 1945). Расте ния Onobrychis arenaria, выращенные в условиях карьера, образуют доб рокачественные семена: всхожесть семян изменяется в зависимости от участка и года сбора - от 85 до 93 % (1990 г.) и от 36,5 до 77 % (1994 г.).
На Н-ом участке пополнение банка семян происходит постоянно и не нарушается скашиванием.
Medicago media на 1-ом и И-ом участках представлена в двух ярусах и создает аспект. Растения неравномерно распределены по площади, при достаточно большой плотности - 268 особей (1558 побегов) на 8 м2.
Значительно преобладают вегетативные особи - 84 %, т.е. ценопопуля ция является инвазионной. Возрастная и морфологическая структуры ценопопуляций Bromopsis inermis, Onobrychis arenaria и Medicago media в целом отражают удовлетворительную жизненность. Данные виды на малопригодных породах образуют долголетние культурфитоценозы, сохраняющиеся в удовлетворительном состоянии около 20 лет, прохо дят весь жизненный цикл развития. Признаки деградации культурфито ценозов начинают проявляться не ранее 10-летнего возраста.
4.5. Структура интродуцированной ценопопуляций Dianthus acicularis Fisch. ex Ledeb. в Коркинском угольном карьере В данном разделе приведены результаты исследований ценопопуля ций Dianthus acicularis в условиях Коркинского угольного карьера, ко торая имеет сложную пространственную, возрастную и морфологиче скую структуру. При изучении возрастной структуры ценопопуляций данного вида удалось выделить группы возрастных состояний: pi, j, im (прегенеративные), g l, g2, g3, ss и g3v (генеративные вегетирующие).
Прослежена динамика возрастной структуры. На наш взгляд ценопопу ляция Dianthus acicularis является нормальной полночленной. Прове денные наблюдения показали, что вид за 18-20 лет прошел жизненный цикл в условиях карьера. Все это дает основание предположить, что найдена новая экологическая ниша для данного вида.
4.6. Результаты инвентаризации посадок деревьев и кустарников в Коркинском угольном карьере В результате проведенной инвентаризации через 20 лет после посад ки, установлена сохранность 13 видов. Разработана и проведена 3 балльная оценка состояния деревьев и кустарников. Из испытанных видов для биологической рекультивации в лесостепной зоне рекомен дуются яблоня сибирская, лох узколистный, облепиха крушиновидная, акация желтая, которые за 20-25 лет показали хорошую сохранность и рост, перешли к интенсивному вегетативному (облепиха) и семенному (другие виды) возобновлению. Удовлетворительные показатели при наличии семенного возобновления показали жимолость татарская, ки зильник черноплодный, снежноягодник.
ВЫВОДЫ 1.Нарушенные территории открытыми разработками ЧУБ сложены преимущественно породами малопригодными и непригодными для биологической рекультивации по физическим и химическим свойствам.
Темп и интенсивность их самозарастания лимитируется эдафическими условиями.
2.Флора нарушенных земель открытых угольных разработок ЧУБ характеризуется более низким, в сравнении с естественной флорой, видовым разнообразием. Здесь формируется преимущественно мно голетняя, мезофитная, анемохорная, сорно-рудеральная, травянистая растительность.
З.Для Коркинских отвалов характерно преобладание травянистого типа зарастания: разнотравно-злаковые простые, элементарные слож ные и сложные группировки и фитоценозы. На части территорий на блюдается формирование лесных фитоценозов паркового типа, что свя зано с возможностью заноса семян древесных видов. Для ускорения процессов зарастания данных отвалов необходима биологическая ре культивация.
4.Для Красносельского отвала характерны три направления зараста ния: 1-е - травянистые разнотравно-злаково-вейниковые сложные груп пировки и фитоценозы;
2-е - травянистые разнотравно-злаково вейниковые сложные растительные группировки и фитоценозы с еди ничными деревьями и кустарниками;
3-е - лесные фитоценозы с разно травно-злаково-вейниковым травянистым ярусом. Особенности зарас тания по тому или иному направлению определяются эдафотопом и ус ловиями заноса семян.
5.Формирование растительности Коркинского угольного карьера идет по четырем основным направлениям, в результате которых форми руются следующие растительные сообщества: разнотравно-мятликовые, разнотравно-вейниковые, тростниковые и разнотравно-пырейные фито ценозы. На части территорий наблюдается формирование лесных фито ценозов аллейного типа.
б.Формирование растительности Батуринского угольного карьера идет по четырем направлениям: образуются разнотравно-вейниковые, тростниковые, разнотравно-мятликовые растительные сообщества, на засоленных субстратах - простые разнотравные группировки.
7.Проведенные эксперименты позволили убедиться в возможности создания культурфитоценозов в угольном карьере при минимальных затратах на улучшение свойств субстрата и подобрать ассортимент мно голетних трав, деревьев и кустарников для этих целей. Умелое модели рование экотопов в карьере, посев многолетних трав, посадка деревьев и кустарников подходящего ассортимента способствуют увеличению видового и фитоценотического разнообразия растительного покрова карьера и ускоряют его формирование на 15-20 лет.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Чибрик Т. С., Шмелева М. А. Некоторые закономерности форми рования фитоценозов техногенных ландшафтов Урала // Растения и промышленная среда. Екатеринбург: УрГУ,1992. С. 156-200.
2. Глазырина М. А. Биологическая рекультивация Коркинского угольного разреза // Механизмы поддержания биологического разнооб разия:Матер.конф., Екатеринбург:Изд-во "Екатеринбург",!995.С.41-44.
3. Третьякова А. С., Глазырина М. А. Структура и жизнеспособность ценопопуляции костреца безостого (Bromopsis inermis (Leys.) Holub) в условиях Коркинского угольного разреза // Механизмы поддержания биологического разнообразия: Материалы конф., Екатеринбург: Изд-во "Екатеринбург", 1995. С. 159-161.
4. Чибрик Т. С., Глазырина М. А. Адаптационная роль семенного размножения при интродукции видов в неоэкотоп // Проблемы репро дуктивной биологии растений: Тезисы докладов симпозиума (Пермь, 4— 6 июня 1996) / Перм. ун-т - Пермь, 1996.
5. Глазырина М. А., Пасынкова Е. В. Результаты интродукции эспар цета песчаного в условиях Коркинского угольного разреза // Материалы Первой Всероссийской конференции по ботаническому ресурсоведе нию, Санкт-Петербург: Ботанический институт им. В. Л. Комарова РАН (25-29 нояб. 1996 г.) СПб., 1996. С. 105.
6. Глазырина М. А. Структура ценопопуляции люцерны пестрогиб ридной (Medicago media Pers.) в экспериментальных посевах Коркин ского угольного разреза // Биологическая рекультивация нарушенных земель: Материалы Междунар. совещ., Екатеринбург, 26-29 авг. 1996 г.
Екатеринбург: УрО РАН, 1997. С. 67-77.
7. Глазырина М. А., Пасынкова Е. В. Структура ценопопуляции эс парцета песчаного (Onobrychis arenaria (Kit.) DC) в экспериментальных посевах Коркинского угольного разреза // Экологические исследования на Урале. Екатеринбург: УрГУ, 1997. С. 75-91.
8. Глазырина М. А. Структура интродуцированной популяции гвоз дики иглолистной (Dianthus acicularis Fisch. ex Ledeb.) в Коркинском угольном разрезе // Итоги интродукции и селекции травянистых расте ний на Урале. Екатеринбург. Изд-во Урал, ун-та, 2001 г. С. 120-134.
9. Глазырина М. А. Структура и динамика популяции гвоздики игло листной (Dianthus acicularis Fisch. ex Ledeb.) в Коркинском угольном разрезе // Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных терри торий. Материалы Междунар. науч.конф. (Оренбург, 30-31 января, 2001г.) Оренбург: ИПК "Газпромпечать", 2001. С. 72-74.
10. Глазырина М. А., Чибрик Т. С. Систематический анализ флоры отвалов и карьеров открытых угольных разработок Челябинского буро угольного бассейна // Проблемы охраны растительного мира Сибири:
Тез. докл. Междунар. совещ. (Новосибирск, 21-24 августа 2001 г.). Но восибирск, 2001. С. 29-30. ^ Autw ^