Создание искусственных фитоценозов на песчаных грунтах предтундровых редколесий

На севере таежной зоны России площадь нарушенных земель неуклонно увеличивается. Самовосстановление лесных экосистем усложнено в связи с неблагоприятными субстратными условиями техногенных местообитаний, суровыми климатическими условиями, низкой устойчивостью древесных пород на северной границе их распространения [1]. В связи с отмеченным, необходима активизация сукцессионного процесса. Восстановление устойчивых лесных экосистем представляет собой систему сложных технологических мероприятий, обусловленную в значительной мере природноклиматическими условиями конкретного региона [2]. Приемы лесной рекультивации, разработанные для более южных регионов России, как правило, включают нанесение снятого почвенного слоя, посадку лесных культур, применение удобрений, выращивание в междурядьях люпина, донника, люцерны, клевера [3]. На Крайнем Севере из-за незначительной мощности и растительного состава плодородного мохово-торфянистого слоя его снятие обычно не практикуется [4]. Люпин, донник, люцерна не входят в местные флоры региона, они встречаются либо как заносные, либо культивируемые виды.

Разработка технологий лесорекультивационных работ для условий Севера начата только в 80-х гг. ХХ в. Л.П. Капелькиной [5], В.И. Парфенюком [6] описаны первые опыты по созданию лесных культур на нарушенных землях европейской части России. Они заключались в отработке традиционного приема лесной рекультивации – посадке лесных культур сосны и ели, а также черенков ивы без дополнительных приемов улучшения техногенного субстрата. Однако данная технология лесорекультивационных работ малоэффективна в целях защиты нарушенных земель от эрозии. Н.Г. Федорец и др. [7] и Л.А. Казаков и др. [8] описали комплексные работы по лесной рекультивации на севере таежной зоны. Для улучшения свойств субстрата применены: нанесение потенциально-плодородных грунтов, внесение удобрений, посев люпина [7]. Для закрепления перевиваемых песков Кольского полуострова созданы травостои колосняка песчаного [8]. В качестве посадочного материала исследователи используют сеянцы, саженцы, дички сосны обыкновенной и лапландской, ели сибирской, карельской березы, березы повислой, рябины [7–9]. В Норильском промышленном регионе имеется опыт посадки дичков местных популяций ели сибирской, лиственницы сибирской, розы иглистой, можжевельника сибирского и черенков разных видов ив [10]. Цель нашей работы – произвести подбор ассортимента древесных растений и определить возможный способ улучшения субстрата для проведения лесной рекультивации в природных условиях Крайнего Севера европейского Северо-Востока.

Материал и методы исследования

Экспериментальные работы проведены на территории Усинского района Республики Коми (подзона крайнесеверной тайги). Среднегодовая темпе- ратура воздуха минус 3,2 °С. Рельеф представляет пологоувалистую равнину с высотами 60–100 м над ур. м. На водоразделах господствуют разреженные еловые и елово-березовые леса. Небольшими массивами располагаются сосняки. Сомкнутость крон 0,3–0,5, высота 8–15 м, бонитет – преимущественно Vа [11].

Основные типы нарушений связаны с добычей и транспортировкой нефти. Характерны отсыпки песчаным грунтом дорог, различных промышленных площадок, в том числе под кусты скважин, временные жилые комплексы и т.д. Рекультивация нефтезагрязненных участков также часто сопровождается нанесением песка мощностью 50–100 см. Необходимость строительных материалов обуславливает эксплуатацию значительного числа песчаных карьеров.

Полевой опыт по разработке приемов лесной рекультивации заложен в 2006 г. на отработанном карьере (66°16′ с.ш., 57°16′ в.д.). До начала антропогенного воздействия на его территории произрастал березово-еловый бруснично-зеленомошный лес с примесью сосны и лиственницы на подзоле иллювиально-железистом. В ассортимент видов для проведения лесной рекультивации были включены: сосна обыкновенная, ель сибирская, береза пушистая, лиственница сибирская. В качестве посадочного материала использовались: 1) 7–15-летние дички древесных видов высотой 40–70 см, изъятые на сильно нарушенных краевых участках близлежащего леса с комом земли 30х30 см и фрагментами напочвенного покрова; 2) 2–3-летние сеянцы древесных видов с открытой корневой системой, полученные из Удорского лесхоза. Размещение дичков – 2х2 м, сеянцев – 2х1 м. Посадки древесных растений проведены без улучшения и с улучшением техногенного субстрата биологическим способом (формирование искусственного травостоя из многолетних луговых злаков). В вариантах опыта с созданием травостоя одновременно с посадкой древесных растений высевали травосмесь из мятлика лугового, овсяниц красной и луговой, костреца безостого, тимофеевки луговой в равных соотношениях при норме высева семян 20 кг/га. Посев трав осуществляли поверхностно с последующим прикатыванием. Одновременно вносили комплексное минеральное удобрение (азофоска из расчета 60 кг д.в./га по азоту, фосфору и калию) и лесную подстилку в дозе 3 т/га. Система ухода за травами включала весеннее внесение минеральных подкормок (N45 или N45Р45К45) на второй-пятый годы, а также подсев трав в местах выдува семян на второй год. В контрольном варианте никаких рекультивационных мероприятий не проводили.

Ежегодно за период наблюдений в вариантах опыта оценивали динамику высоты посадок древесных пород [12] и их фитопатологическое состояние [13], определяли проективное покрытие и среднюю высоту травостоя [14]. В образцах почвогрунтов вычисляли рН водной вытяжки потенциометрически, содержание органического углерода и азота методом газовой хроматографии. Количество подвижных форм соединений калия и фосфора, уста- новленных по методу Кирсанова, дано в пересчете на их оксиды [15]. Названия почв приведены в соответствии с «Классификацией и диагностикой почв России» [16]. Численность почвенных микроорганизмов учитывали методом разведения почвенной суспензии с последующим высевом ее на стандартные питательные среды, микроорганизмов-аммонификаторов – на среде МПА (мясо-пептонный агар), минерализаторов азота – на КАА (крахмало-аммиачный агар), олиготрофов – на голодном агаре, олигонитрофилов – на среде Эшби, грибов – на подкисленной среде Чапека [17]. Численность микроорганизмов выражена в колониеобразующих единицах на грамм абсолютно сухой почвы (КОЕ/ г а.c.п.) с учетом ошибки средней.

Результаты и обсуждение

Растительный покров на отведенной под опыт территории отсутствовал. Песчаный субстрат легко перевивался под действием воздушных потоков. Содержание частиц мелкого песка – 80%, крупного – 10–11%, физической глины – 5–7%. Верхний 10-сантиметровый слой субстрата отличался низкой полевой влажностью (3–4%). Содержание в нем органического углерода (менее 0,1%), азота (менее 0,01%), подвижных форм фосфора (8,7–10,1 мг/100 г в.с.п.) и калия (2,2–3,2 мг/100 г в.с.п.) низкое, величина рН близка к нейтральной. В условиях дефицита питательных элементов, низкого содержания почвенного органического вещества и отсутствия растительного покрова доминирующее положение в почвенном микробоценозе занимали олиготрофные и олигонитрофильные бактерии – 1957,2±56,8 и 1642,0±111,0 тыс. КОЕ/г а.с.п., соответственно. Численность аммонифицирующих бактерий и бактерий, утилизирующих минеральные формы азотистых соединений, в 1,5–2,0 раза ниже (соответственно 1091,2±104,9 и 942,0±88,9 тыс. КОЕ/г а.с.п). Микроскопические грибы не выделены.

На контрольном участке в связи подвижностью и сухостью песка за девятилетний период наблюдений внедрения растений не происходило, агрохимические показатели и микробиологические характеристики субстрата не изменились. Наши данные подтвердили сведения о достаточно медленном протекании первичных сукцессий на кварцевых песках Крайнего Севера, когда их закрепление водорослевой корочкой, пионерными мхами и сосудистыми растениями растягивается на период нескольких десятилетий [18].

Посадка древесных растений в песчаный субстрат без приемов его улучшения позволила сформировать культуры древесных пород разного качества. Растения сосны, высаженные сеянцами, к концу опыта практически все погибли (табл. 1). Ель имела лучшую сохранность, несмотря на несоответствие эдафических условий потребностям вида, что согласуется с данными, полученными Л.П. Капель-киной [9]. В условиях Крайнего Севера ель биологически более устойчива, чем сосна. Основные причины гибели высаженных сеянцев – погребение песком или их выдувание в результате ветровой эрозии, физиологическое иссушение. Значительный отпад сосны был обусловлен также ее заражением грибами Phacidium infestans Karst и Lophodermium sedi-tiosum Mint. (распространенность болезней типа шютте варьировала по годам наблюдений от 20 до 40%). Темпы роста деревьев – низкие (табл. 2).

Посадки дичков сосны и березы характеризовались высокой сохранностью (табл. 1). Крупномерный посадочный материал данных видов быстро адаптировался к новым условиям среды, оказался устойчив к прессу абиогенных и биогенных факторов. Прирост в высоту у сосны с третьего года после посадки неуклонно увеличивался, достигая более 30 см к концу наблюдений (табл. 3). В связи с экологической пластичностью темпы роста березы в начале опыта были выше, чем у сосны, но к концу

Таблица 1

Динамика приживаемости/сохранности (% от общего количества сеянцев/дичков) культур в вариантах опыта

Dynamics of survival/preservation (% of the total number of seedlings/ wildings) of cultures in variants of the experiment

Table 1

Способ улучшения субстрата	Вид	Годы опыта
		2-й	3-й	4-й	5-й	6-й	7-й	8-й
Сеянцы
Без улучшения	Сосна обыкновенная	85	83	54	54	27	27	12
Биологический		78	67	49	45	42	42	42
Без улучшения	Ель сибирская	94	92	91	91	80	56	56
Биологический		96	96	93	83	83	83	83
Дички
Без улучшения	Сосна обыкновенная	100	100	96	92	92	92	92
Биологический		100	100	96	96	96	96	96
Без улучшения	Береза	100	100	100	100	94	94	94
Биологический	пушистая	100	100	100	100	100	100	100
Без улучшения	Ель сибирская	100	80	78	68	64	53	53
Биологический	Лиственница сибирская	100	100	100	100	100	92	83

Таблица 2

Динамика высоты культур в вариантах опытов с посадкой сеянцев

Dynamics of height of cultures in variants of experiments with planting seedlings

Table 2

Способ улучшения субстрата	Вид	Годы опыта
		1-й	2-й	3-й	4-й	5-й	6-й	7-й	8-й
Без улучшения	Сосна	4,3±0,3	5,6±0,5	9,9±1,1	14,5±2,1	18,6±3,1	22,4±3,2	28,0±5,7	31,8±10,1
Биологический	обыкновенная	4,3±0,3	6,3±0,6	10,1±0,8	17,7±2,5	22,4±3,2	28,9±5,0	38,9±5,6	50,3±7,5
Без улучшения	Ель сибирская	11,5±1,2	12,0±1,3	12,9±1,8	13,2±1,8	14,8±3,0	18,7±3,6	19,8±2,1	Не опр.
Биологический		10,6±1,2	10,8±1,2	12,6±2,0	18,0±2,0	20,7±3,1	25,5±3,3	27,5±3,5	27,9±4,2

Примечание: Приведены средние арифметические значения и доверительные интервалы при р = 0,05. Note: Arithmetic mean values and confidence intervals at р=0,05.

Таблица 3

Динамика высоты культур в вариантах опытов с посадкой дичков

Dynamics of height of cultures in variants of experiments with planting wildings

Table 3

Способ улучшения субстрата	Вид	Годы опыта
		1-й	2-й	3-й	4-й	5-й	6-й	7-й	8-й	9-й
Без улучшения	Сосна обыкновенная	65,6±5,8	67,6±4,9	77,0±5,9	87,7±5,9	97,8±7,4	112,2±10,2	130,2±12,7	149,6±14,2	180,1±18,8
Биологический		59,8±5,3	60,9±5,8	69,0±6,6	79,7±6,1	96,7±9,1	116,4±10,7	136,6±12,9	161,1±17,0	195,5±16,8
Без улучшения	Береза пушистая	60,0±7,2	78±8,5	90,0±8,9	110,0±10,7	115,0±11,2	120,0±12,0	125,0±12,6	138±13,1	149,0±18,1
Биологический		60,0±7,0	80,7±8,3	95,4±9,2	116,2±10,3	125,0±12,6	128,2±14,2	147,1±14,8	152,6±16,8	163,7±13,3
Без улучшения	Ель сибирская	55,3±6,4	55,5±6,4	56,5±6,6	56,9±7,2	57,7±7,7	59,1±8,3	59,9±8,1	60,5±9,1	60,9±9,0
Биологический	Лиственница сибирская	79,4±9,2	82,6±10,6	86,9±10,2	90,7±9,6	98,7±17,4	106,2±22,8	122,0±26,3	147,5±28,7	156,4±32,1

Примечание: Приведены средние арифметические значения и доверительные интервалы при р = 0,05.

Note: Arithmetic mean values and confidence intervals at р=0,05.

наблюдений приросты в высоту несколько снижаются, что соответствует её меньшей приспособленности к росту на песчаных грунтах. Ель, по сравнению с березой и сосной, более тяжело перенесла пересадку и процесс приспособления к новым условиям среды. На 9-й год опыта сохранилась только половина из высаженных растений ели. О низкой приживаемости дичков ели указывается и в работе В.Б.Ларина [19]. Годовые приросты в высоту не превышали 2 см. Отмечена сильная дехромация хвои. Посадка дичков лиственницы более успешна, чем ели (табл. 1, 3). Однако около четверти сохранившихся растений находятся в неудовлетворительном состоянии и возможен их отпад.

Древесные растения в течение рассматриваемого периода не смогли способствовать развитию напочвенного растительного покрова. Зафиксировано внедрение только единичных пионерных и ксерофильных видов (Equisetum arvense L., Сha-maenerion angustifolium (L.) Scop, Festuca ovina L.). На комьях земли, привнесенных при посадке дичков, сохранились кустарнички (Empetrum hermaph-roditum (Lange) Hagerup, Vaccinium uliginosum L., V. vitis-idaea L.). Песчаный субстрат остается незакрепленным и подвергается развеиванию. Опад древесных пород сносится на окружающие территории. В связи с крайне незначительным поступлением органического материала в песчаный грунт его морфологические, агрохимические свойства не менялись. Численность олиготрофов, олигонитрофилов и микроорганизмов азотного цикла сохранялась на прежнем уровне. Однако отмечено появление поч- венных микромицетов (40,0±2,1 тыс. КОЕ/г а.с.п.), что, возможно, связано с посадкой древесных растений и развитием эктомикоризы.

В вариантах опыта с применением биологического способа улучшения песчаного субстрата сохранность древесных пород, высаженных сеянцами, увеличивается, что, по-видимому, связано с уменьшением неблагоприятного влияния абиотических факторов в связи созданием фитосреды и закреплением субстрата за счет развития искусственного травостоя. По мере роста высаженных сеянцев наблюдается усиление дифференциации высоты культур между вариантами опыта без и с применением биологического способа улучшения субстрата (табл. 2). Темпы роста деревьев во втором случае возрастают и становятся сопоставимыми с ходом роста культур на северотаежных вырубках [19, 20]. Рост дичков сосны и березы в вариантах с посевом трав тоже ускоряется. Однако влияние искусственного травостоя на их приживаемость и рост выражено слабее, чем на посадки сеянцев (табл. 3), по-видимому, из-за меньшего влияния абиотических факторов на крупномерный посадочный материал.

Неблагоприятные свойства песчаного грунта определили особенности развития искусственного травостоя. Перенос песка, выдувание и сдувание семян и удобрений, иссушение субстрата в первый год опыта обусловили низкое проективное покрытие злаков (10%). В последующий период ухода проективное покрытие трав последовательно возрастало, достигнув максимума на пятый год опыта (около 60%). Доминировал наиболее засухоустой- чивый из высеянных видов – овсяница красная. Создание травостоя на сухих песчаных субстратах – достаточно длительный процесс, требующий многолетнего периода ухода за травостоем (внесение минеральных подкормок). С прекращением внесения удобрений проективное покрытие высеянных трав стало быстро сокращаться и к концу наблюдений составило всего 10–15%. Сходное развитие искусственных травостоев отмечено на нефелиновых песках Кольского полуострова [21].

Деградация травостоя сопровождалась процессом замещения высеянных луговых трав на более сухолюбивые злаки ( Festuca ovina , Calamagro-stis epigeios (L.), Agrostis tenuis Sibth.), пионерные виды сосудистых растений ( Equisetum arvense, Сha-maenerion angustifolium и др.) и мхов ( Ceratodon pur-pureus (Hedw.) Brid. и Polytrichum piliferum Hedw.). Особенно активно шло формирование мохового яруса, проективное покрытие которого к концу наблюдений достигло 70 %. Таким образом, произошла закономерная смена стадии доминирования высеянных трав (поддерживаемой внесением удобрений) на стадию внедрения видов из окружающих растительных сообществ [22].

Включение отмершей органической массы искусственного травостоя в процессы трансформации и гумусообразования способствовало формированию слаборазвитого гумусового горизонта W, характерного для псаммоземов гумусовых типичных. В гумусово-слаборазвитом горизонте и залегающем под ним корнеобитаемом слое (глубина 5–10 см от поверхности формирующейся почвы) аккумулируются элементы-биогены и органические соединения. За период наблюдений содержание органического углерода увеличилось до 0,2%, азота – до 0,002%, подвижных форм фосфора и калия – до 19,7 и 12,9 мг/100г в.с.п., соответственно. Численность всех физиологических групп микроорганизмов в верхнем гумусово-слаборазвитом слое по сравнению с исходным субстратом возросла примерно в четыре–шесть раз. Численность аммонификаторов достигла 6805,3±198,1, минерализаторов азота – 7074,0±415,2, олиготрофов – 6468±191, олигонитрофилов – 7883±252, почвенных грибов – 310,3± 42,8 тыс. КОЕ/г а.с.п. Отмечено прекращение эрозионных процессов, полевая влажность почв характеризуется величинами порядка 6–14%.

Метод «залужения» нарушенных земель достаточно хорошо апробирован для территории Крайнего Севера. Подобраны ассортименты трав, системы удобрений [21, 23–25 и др.]. Нашими исследованиями не только еще раз продемонстрирована эффективность метода для закрепления субстрата и улучшения его свойств, но и показана целесообразность сочетания посадки древесных растений с созданием травостоя из многолетних луговых злаков. Система ухода за луговыми злаками должна обеспечить формирование травостоя в той мере улучшающего свойства субстрата (за счет накопления отмершей органической массы растений), в какой это необходимо для образования напочвенного покрова из внедрившихся видов для дальней- шей стабилизации песчаного грунта и протекания почвообразовательных процессов.

Заключение

В целях лесной рекультивации на песчаных грунтах севера таежной зоны рекомендуется использовать посадку пионерных (раннесукцессионных) видов – сосны обыкновенной, березы пушистой. Наиболее быстрыми темпами формирование древесного яруса происходит при использовании крупномерного посадочного материала местного происхождения с комом земли. Для большей устойчивости экосистемы рекомендуется порядное смешение сосны и березы. Возможно включение в посадку лиственницы сибирской и ели сибирской. Создание лесных культур необходимо сочетать с приемами улучшения техногенного субстрата, обеспечивающими его закрепление, формирование напочвенного покрова и запуск почвообразовательных процессов.

Работа выполнена в рамках темы государственного задания Института биологии Коми НЦ УрО РАН.