В работе приводятся результаты исследования по изучению состояния растительного покрова нарушенных земель. Эти нарушения земель вызваны угледобывающим производством. Основным богатством территорий Сибири являются угли. Уголь – самый распространенный в мире энергетический ресурс. Добыча угля идет открытым способом и в то же время сопровождается огромным экологическим ущербом. Природные экосистемы – системы динамичные. Нарушенные экосистемы после снятия внешнего воздействия способны возвращаться в исходное состояние, проходя ряд последовательных стадий (сукцессий). Четко выделяются четыре стадии восстановления: пионерная, простая, переходно-восстановительная и сложно-лесная группировка. Жизненное состояние группировок определяется эдафическими факторами и почвенно-климатическими условиями района.
Цель исследования – оценка состояния растительного покрова нарушенных земель после угледобычи. В связи с этим решался ряд задач: выявление жизненности растений, определение участия видов в горизонтальном строении почвы, а также долевое участие и запасы фитомассы растительного покрова отвалов.
Материалы и методы исследования
Угольный разрез «Азейский» находится в пределах Иркутско-Черемховской равнины, территория представляет собой всхолмленную возвышенность с преобладанием высот порядка 550–600 м над уровнем моря.
Климат района характеризуется резкой континентальностью. Здесь наблюдаются отрицательные среднегодовые температуры воздуха и сильные перепады их в течение суток, неравномерное выпадение осадков по годам и сезонам года, контрастный радиационный режим зимних и летних месяцев. Таким образом, суровые природные факторы способствовали тому, что господствующим типом растительности здесь являются хвойно-лиственничные леса. Согласно карте растительности юга Восточной Сибири [1] на исследуемой территории преобладают среднесибирские растительные формации, относящиеся к Урало-Сибирской фратрии. Поэтому при изучении растительного покрова в окружении угольного разреза «Азейский» мы стремились, по возможности, составить представление о видовой насыщенности, дать оценку жизненности растений и продуктивности. В окружении угольного разреза «Азейский» были выбраны 3 экспериментальных участка [2]. Остановимся на первом участке «Заазейский». Изученные сообщества участка «Заазейский» представляют собой разные стадии восстановительных сукцессий. Они идут от пионерной стадии к длительно-производной луговой растительности и до восстановления коренных светлохвойных травяных лесов, т.е. через ряд их переменных состояний: сорняковую, березовую, осиновую к сосновой восстановительной серии. Почвообразующими породами являются грунтосмеси с содержанием перегноя и минеральных питательных веществ. Породы вскрыши представлены: аргиллитами, алевролитами, песчаниками и четвертичными покровными суглинками различной мощности. Породы отвалов имеют высокую водопроницаемость за счет щебнисто-каменистых фракций аргиллитов и мелкозема глинистых пород. В результате этого создается довольно стабильный водный режим.
Изучение биологической продуктивности проводили путем учета надземной массы. В пределах каждой площадки размером 0,25 м2 проводились укосы в трехкратной повторности, где учитывался запас зеленой массы и мортмассы (ветошь, подстила и опад) [4]. Геоботанические описания проводились по стандартной методике. На исследуемых площадках учитывался видовой состав, средняя высота по ярусам и общее проективное покрытие. Для оценки степени покрытия видами и оценки жизненности (виталитета) растений, использовали шкалу проективного покрытия Браун-Бланке, выраженную в баллах: 5 – покрыто больше 3/4 площадки (75 %); 4 – покрыто от 1/2 до 3/4 площадки (50–75 %); 3 – покрыто от 1/4 до 1/2 площадки (25–50 %); 2 – покрыто от 1/20 до 1/4 (5–25 %); 1 – индивидуумы многочисленны, но покрывают менее 1/20 (менее 5 %); + – разреженны или покрывают лишь небольшую часть площадки.
Для оценки жизненности: 1 – прорастание, но отсутствие развития вегетативных органов; 2 – ослабление с недостаточным вегетативным развитием и непрохождением всего жизненного цикла; 3 – хорошее вегетативное развитие, но непрохождение всего жизненного цикла; 4 – хорошее вегетативное развитие и прохождение всего жизненного цикла [6].
Результаты исследования и их обсуждение
Растительный покров является первым экраном при зарастании отвалов, он обладает высокой жизненной силой приспосабливаться к неблагоприятным условиям среды и быстро занимать свободные пространства.
Для изучения структуры растительного покрова участка «Заазейский» (годы наблюдений 2009–2013) был заложен экологический профиль, который представлен сообществами разных группировок, сменяющих друг друга, начиная с вершины отвала пионерной стадии, переходя к длительно-производной луговой растительности и заканчивая березово-сосновым лесом с вейниково-высокотравной растительностью.
Распределение растений на вершине отвала неравномерное, основу пионерной группировки составляют широко распространенные виды сорных растений, из которых формируются бурьянистые сообщества. Растения находятся на значительном расстоянии друг от друга. Сегетально-рудеральные растения способны быстро захватывать свободные территории, их можно объединить в группу эксплерентов [3]. Доминантами являются: донник желтый – Melilotus albus; Иван-чай узколистный – Epilobium angustifolium; осот полевой – Sonchus arvensis (табл. 1).
Таблица 1
Видовой состав, жизненное состояние и проективное покрытие пионерной группировки на вершине отвала, участок «Заазейский»
|
Название видов |
Проективное покрытие, балл |
Жизненность, балл |
|
Травянистый ярус, проективное покрытие 10–30 %, средняя высота 60 см |
||
|
Донник желтый – Melilotus albus |
3 |
4 |
|
Пырей ползучий – Elytrigia repens |
1 |
4 |
|
Горошек приятный – Vicia amoena |
1 |
4 |
|
Иван-чай узколистный – Epilobium angustifolium |
2 |
4 |
|
Полынь замещающая – Artemisia commutata |
1 |
4 |
|
Полынь Сиверса – Artemisia siversiana |
1 |
4 |
|
Льнянка обыкновенная – Linaria vulgaris |
1 |
4 |
|
Осот полевой – Sonchus arvensis |
2 |
4 |
Одним из показателей жизненности видов в сообществе является численность [5]. В изучаемом сообществе численность вегетирующих особей очень динамична. Отрицательными факторами являются каменистость поверхности, низкое плодородие техногенных элювиев вскрышных пород, крутые, постоянно действующие эрозионные потоки, которые смывают семена и всходы растений. Все эти факторы отрицательно сказываются на численности биогеоценозов. По зарисовке горизонтальной проекции пионерной группировки растительный покров крайне разрежен и распределение растений по площади участка неравномерное (рис. 1). Растения находятся на значительном расстоянии друг от друга, проективное покрытие составляет 15 % и на площадке (0,25 м2) выявлено всего 3 вида. На рис. 2 (склон отвала) растительный покров представлен злаково-восстановительной смешанной группировкой.
Рис. 1. Горизонтальная проекция на вершине отвала, занятая основаниями сорной растительности (эксплеренты). Пионерная группировка, площадка 0,25 м2: 1 – полынь Сиверса; 2 – Иван-чай; 3 – льнянка обыкновенная; 4 – незаселенная видами почва (2009 г.)
На площадке (рис. 2) наблюдается отсутствие сомкнутости надземного полога. Общее проективное покрытие травостоем по-сравнению с предыдущим сообществом значительно выше – 45 %, происходит образование (многовидовых) смешанных группировок из разнотравья и злаков, с господством корнеотпрысковых видов – Elytrigia repens – пырея ползучего и глубокостержнекорневых растений – Sonchus arvensis – осота полевого, Epilobium angustifolium – Иван-чая. По склону отвала происходит заселение кустарниковыми видами растений: Hippophae rhamnoides – облепиха крушиновая, Salix caprea L. – ива козья. В напочвенный покров включаются Melilotus albus – донник желтый, Trifolium repens, arvense – клевер ползучий и полевой, Linaria vulgaris – льнянка обыкновенная. У подножья отвала отмечено появление подроста Pinus sylvestris – сосны лесной.
Рис. 2. Горизонтальная проекция восстановительной группировки злаково-смешанного сообщества (склон отвала, площадка 0,25 м2): 1 – льнянка обыкновенная; 2 – полынь Сиверса; 3 – пырей ползучий; 4 – осот полевой; 5 – ива козья; 6 – облепиха крушиновая; 7 – донник желтый; 8 – незаселенная видами почва (2009 г.)
Разнотравно-кострецовый луг у подножия отвала имеет выровненную поверхность, где происходит смена растительных сообществ. Смешанные группировки меняются на длиннокорневищно-злаково-разнотравные с большим участием луговых видов. Общее проективное покрытие 80–90 %, что примерно в два раза выше показателя проективного покрытия предыдущей простой смешанной группировки (рис. 3).
В изучаемом сообществе доминируют злаки: Bromus inemis – кострец безостый, Elytrigia repens – пырей ползучий. Велик процент растений с ползучими и стержневыми корневищами – это растения высокотравные: Sonchus arvensis – осот полевой, Hieracium umbellatum – ястребинка зонтичная, низкотравные виды представлены: Linaria vulgaris – льнянкой обыкновенной, Acyillea asiatica – тысячелистником азиатским, Taraxacum officinale – одуванчиком лекарственным, Plantago major, media – подорожником большим и средним. В растительном сообществе сохраняется большой процент сорняков, которые произрастают куртинами. Обращает на себя внимание появление бобовых: Medicago sativa – люцерны посевной, Melilotus – донника и клевера – Trifolium. Разнотравно-кострецовый луг представляет собой практически сформированное луговое сообщество, которое близко к естественному фитоценозу.
Рис. 3. Горизонтальная проекция основаниями растений разнотравно-кострецового луга (площадка 0,25 м2): 1 – кострец безостый; 2 – тысячелистник азиатский; 3 – пырей ползучий; 4 – полынь Сиверса; 5 – хвощ полевой; 6 – горошек мышиный; 7 – донник душистый, 8 – незаселенная растениями почва (2009 г.)
В окружении угольного разреза «Азейский» весьма широко распространены сосново-березовые и березово-осиновые разнотравные леса. Леса на отвалах имеют преимущественно неэксплуатационное, а защитное значение, возобновление можно считать удовлетворительным. Зарастание отвалов травянистой растительностью происходит интенсивно.
Рассмотрим вейниково-разнотравную группировку в березово-осиновом лесу (с участием сосны). Из древесной растительности в естественном зарастании I ярус составляют одиноко стоящие деревья сосны лесной высотой до 15 м, во II ярусе доминирует осина, ее высота не превышает 12 м, такой же высоты береза пушистая (табл. 2).
Таблица 2
Видовой состав, жизненное состояние и проективное покрытие в лесных сообществах на отвалах угольного разреза участка «Заазейский» 2009 г.
|
Название растения |
Проективное покрытие, балл |
Жизненность, балл |
|
Древесный ярус, средняя высота 20 м, средний диаметр 20 см, сомкнутость 70 % |
||
|
Береза плосколистная – Betula playphylla |
4 |
4 |
|
Сосна обыкновенная – Pinus sylvestris |
3 |
4 |
|
Осина – Populus tremula |
2 |
4 |
|
Кустарниковый ярус, средняя высота 1,0–1,5 м |
||
|
Черемуха обыкновенная – Padus avium |
+ |
4 |
|
Шиповник иглистый – Rosa acicularis |
1 |
4 |
|
Травянистый ярус, проективное покрытие 70–80 %, средняя высота 60 см |
||
|
Василистник малый – Thalictrum minus |
1 |
4 |
|
Дудник лесной – Angelica sylvestris |
1 |
4 |
|
Зопник клубненосный – Phlomis tuberosa |
1 |
4 |
|
Орляк обыкновенный – Pteridium aguilinum |
2 |
4 |
|
Подорожник обыкновенный – Plantago media |
2 |
4 |
|
Клевер люпиновый – Lupinaster pentaphyllus |
1 |
4 |
|
Горошек однопарный – Vicia unijuga |
2 |
4 |
|
Хвощ луговой – Equisetum pratense |
1 |
4 |
|
Осока большехвостая – Carex macroura |
2 |
4 |
|
Вейник наземный – Calamagrostis epigeios |
2 |
4 |
|
Тимофеевка луговая – Phleum phleoides |
1 |
4 |
|
Ежа сборная – Dactylis glomerata |
1 |
4 |
|
Живой напочвенный покров, проективное покрытие 5–20 % |
||
|
Мхи |
2 |
4 |
Сомкнутость крон до 90 %, что свидетельствует об интенсивных процессах восстановления растительности. Под пологом леса встречаются редкими кустами шиповник иглистый – Rosa acicularis и черемуха обыкновенная – Padus avium. В травяном покрове общее проективное покрытие составляет 80 %, местами 40–50 %. Здесь доминирует лесное разнотравье – василистник малый – Thalictrum minus, костяника – Rubus saxatilis, герань сибирская – Geranium sibiricum, дудник лесной – Angelica sylvestris. Из бобовых видов: чина луговая – Lathyrus pratensis, горошек однопарный – Vicia unijuga, Клевер люпиновый – Trifolium Lupinaster. Доминируют рыхлокустовые злаки: ежа сборная – Dactylis glomerata, тимофеевка луговая – Phleum phleoides. На изученном участке заметна сильная антропогенная деятельность – вырублены деревья, разбросаны сучья, ветки, присутствуют следы техники.
Наши исследования показали, что продуктивность растительного покрова надземной массы различна. В ходе исследований запасы общего растительного вещества всех исследуемых площадок демонстрируют высокие и низкие значения в соответствии с погодной обстановкой и внутренними ритмами развития растительных сообществ (табл. 3).
Таблица 3
Долевое участие и запасы растительного вещества на нарушенных землях отвалов угольного разреза «Заазейский»
|
Название группировок |
Фракции фитомассы |
2010 г. |
2011 г. |
2012 г. |
2013 г. |
||||
|
% |
г/м2 |
% |
г/м2 |
% |
г/м2 |
% |
г/м2 |
||
|
Пионерная стадия на вершине отвала |
Зелень |
78 |
361 |
66 |
465 |
22 |
357 |
39 |
467 |
|
Мортмасса |
22 |
102 |
34 |
239 |
78 |
123 |
61 |
720 |
|
|
Смешанная стадия на склоне отвала |
Зелень |
62 |
670 |
87 |
492 |
78 |
453 |
73 |
538 |
|
Мортмасса |
38 |
411 |
13 |
72 |
22 |
127 |
27 |
203 |
|
|
Восстановительная стадия – луговая |
Зелень |
35 |
484 |
75 |
471 |
77 |
733 |
75 |
714 |
|
Мортмасса |
65 |
900 |
25 |
161 |
23 |
214 |
25 |
235 |
|
|
Восстановительная стадия березово-осиновый лес |
Зелень |
62 |
686 |
28 |
343 |
42 |
581 |
24 |
362 |
|
Мортмасса |
38 |
421 |
72 |
888 |
58 |
803 |
76 |
1132 |
|
|
Восстановительная стадия березово-сосновый лес |
Зелень |
59 |
1401 |
35 |
691 |
26 |
527 |
29 |
790 |
|
Мортмасса |
41 |
974 |
65 |
1435 |
74 |
1485 |
71 |
1945 |
|
Разброс значений общих запасов растительного вещества внутри каждой группы огромен. В 2010 г. доля зеленой массы пионерного сообщества (несмотря на небольшую численность видов) составляет 78 %. Это происходит вследствие большого удельного веса бурьянистой растительности – Иван-чая (Epilobium angustifolium) и полыни Сиверса (Artemisia siversiana). Величина общей надземной массы (зелень и мортмасса) в 2010 г. для разных сообществ колеблется в пределах от пионерной группировки до восстановительной стадии разнотравно-кострецового луга (463–1384 г/м2), и от восстановительной стадии разнотравно-кострецового луга до восстановительной стадии березово-соснового леса (1494–2372 г/м2). Отношение мортмассы к запасам зеленой массы в 2013 г. колеблется от 0,2 до 3 раз. По средним запасам общей надземной массы (2010–2013 гг.) исследуемые группировки выстраиваются в следующий ряд: восстановительная стадия березово-соснового леса с высокотравной растительностью > восстановительной группировки березово-осинового леса с участием сосны > пионерной группировки на молодых почвах вершины отвала > восстановительной стадии разнотравно-кострецового луга > группировки злаково-восстановительной смешанной на склоне отвала и, соответственно, в числовом значении имеют следующий вид:
2312 > 1304 > 985 > 979 > 741 г/м2.
Выводы
Результаты многолетних исследований с 2009 по 2013 гг. показали следующие особенности.
1. Зарастание отвалов проходит удовлетворительно. Состояние и прирост поселившихся на отвалах древесных пород мало отличается от пород зональных почв.
2. Плохое возобновление древесными породами и травянистой растительностью на вершинах отвалов объясняется малым налетом семян вследствие возвышенного положения отвалов над относительно ровной поверхностью окружающей территории, а также жесткими условиями температурного режима, недостатком влаги и физическими свойствами поверхностного слоя породы.
3. Участие и заселение отвалов травянистыми видами пионерной группировки происходит пятнами. Доминантом является – Epilobium angustifolium, а содоминантами Melilotus albus и Sonchus arvensis.
4. При зарастании отвалов травянистой растительностью выявлены значительные флуктуации жизненного состояния видов и их проективного покрытия. В этот период большая поверхность покрывается злаками: Elytrigia repens и Dactylis glomerata, т.е. формируется новое луговое сообщество, которое по запасам надземной массы приближено к зональному фитоценозу.