Структурная организация лесных фитоценозов на промышленных отвалах Урала

Урал – старый промышленный регион, где добыча и переработка полезных ископаемых ведется более 100 лет, и как следствие, имеются значительные площади нарушенных промышленностью земель, только в Свердловской области свыше 65 тыс. га. Лесные фитоценозы, формирующиеся на этих территориях в процессе естественного лесовосстановления, представляют собой сложные системы, складывающиеся под воздействием ряда экологических факторов, в том числе и экстремальных. В последние два десятилетия издано достаточно много обобщающих работ по проблеме рекультивации нарушенных промышленностью земель в различных регионах [1-9]. Однако результаты подробных длительных исследований фитоценозов техногенных экосистем содержат лишь немногие [4, 6 и др.].

В лаборатории антропогенной динамики экосистем УрФУ более 50 лет проводятся комплексные исследования по изучению процессов естественного восстановления растительности на нарушенных промышленностью землях [10, 11]. За исследуемый период на многих техногенных образованиях произошло формирование лесных фитоценозов. Изучение их структуры и динамики в зависимости от свойств субстрата, экологических и зонально-климатических условий имеет и теоретическое и практическое значение. В этой работе представлены результаты изучения структуры

40-48-летних лесных фитоценозов, формирующихся в процессе самозарастания на промышленных отвалах горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, расположенных на Среднем Урале в пределах Свердловской области.

Материалы и методика. Проведено изучение структуры лесных фитоценозов, формирующихся на нарушенных промышленностью землях Урала. Исследования проводились по общепринятым геоботаническим методам: определялось флористическое богатство – число видов в сообществе в целом, обилие каждого вида по Друде, сходство флористического состава. Закладывались серии 100 м² площадок, определялась сомкнутость древесного яруса, общее проективное покрытие (ОПП) растительности по ярусам, проводился пересчет и промеры древесных видов.

Результаты и обсуждение. Были исследованы следующие лесные фитоценозы (ЛФ): ЛФ 1 расположен на Южном отвале Веселовского буроугольного месторождения (г. Карпинск, южная граница Северного Урала, таежная зона, подзона средней тайги). По положению к естественному рельефу отвал является нагорным, рельеф грядово-бугристый. Породный состав отвала: ожелез-ненные пески, аргиллиты в смеси с песчаниками и углистыми аргиллитами. Реакция среды варьирует от сильнокислой до слабощелочной. На отвале были проведены механизированные посадки Pinus sylvestris L. ЛФ 1 (возраст 48 лет) располагается в северо-восточной части отвала, которая граничит с лесным массивом, характеризуется высокой сомкнутостью крон (85-90%) и сложной вертикальной структурой. На участке произрастают 9 видов деревьев. Древесный полог 2–4-х ярусный, его составляют Pinus sylvestris (обилие по шкале Друде cop 2 ), Betula pendula Roth (sp–cop 1 ), Populus tremula L. (sp–cop 1 ), Picea obovata Ledeb. (sp), Betula pubescens Ehrh. (sol), достаточно выражен ярус подроста, в котором кроме подроста перечисленных пород присутствуют Pinus sibirica Du Tour, Larix sibirica Ledeb., Abies sibirica Ledeb. Отмечено формирование подлеска (ОПП до 20%), включающего 9 видов кустарников ( Salix caprea L., Sorbus sibirica

Hedl., Lonicera xylosteum L., Rosa acicularis Lindl., Chamaecytisus ruthenicus (Fisch. ex Wołoszcz.) Klásková и др). ОПП травянисто-кустарничкового яруса составляет около 30%, местами варьирует от 15 до 50%. Кустарнички представлены: Vaccinium vitis-idaea L. (sp gr), Vaccinium myrtillus L., Chimaphila umbellata (L.) W. Barton (sol gr), Ledum palustre L., (sol); полукустарнички: Orthilia secunda (L.) House (sp gr), Pyrola rotundifolia L. (sol gr–sp) и др.; из травянистых видов преобладают Fragaria vesca L. (sp gr), Amоria repens (L.) C. Presl (sp gr), Lathyrus pratensis L. (sol–sp), Trifolium pretense L. (sp), Calamagrostis arundinacea (L.) Roth (sp). Покрытие мохово-лишайникового яруса составляет от 10 до 30%. Всего в растительном сообществе выявлено 79 видов растений (мхи не учитывались).

ЛФ 2 произрастает на отвале Евстюнинского железорудного месторождения (г. Нижний Тагил, подзона южной тайги). Рельеф отвала грядовобугристый. Отвал сложен скальными горными породами (габбро, гнейсы, сланцы), желтыми и серыми суглинками, отличается высокой каменистостью (50-90%), рН субстрата изменяется от кислой до нейтральной. Каменистость обследуемого участка составляет 25-30%, возраст – 40-47 лет. Сомкнутость древесного полога варьирует от 35 до 75%, в его составе 10 видов деревьев, доминируют Pinus sylvestris (cop 1 gr–cop 2 ) и Betula pendula (cop 1 gr–cop 2 ). Отмечается появление подроста до 3-5 лет Pinus sibirica , Abies sibirica , Acer negundo L., Tilia cordata Mill., в кустарниковом ярусе выявлено 9 видов, наиболее часто встречаются Sorbus aucuparia L., Lonicera xylosteum , Padus avium Mill., Ribes nigrum L. Травяно-кустарничковый ярус выражен слабо, ОПП от 7 до 10%. Отмечается начало расселения кустарничков ( Chimaphila umbellata ) и 4 видов полукустарничков ( Orthilia secunda (sp gr–cop 1 ), Pyrola rotundifolia , P . media Sw. (sol gr), P . minor L. (un gr). Из травянистых видов преобладают Trifolium pratense (sp), Lathyrus pratensis (sp), Fragaria vesca (sp gr), Rubus saxatilis L. (sp) и др. Моховолишайниковый покров приурочен к стволам деревьев (ОПП от 10 до 40%). Всего в фитоценозе выявлено 66 видов.

ЛФ3 формируется на золоотвале Верхнетагильской ГРЭС (г. Верхний Тагил, подзона южной тайги) на рекультивированном участке с полосным нанесением грунта, возраст 44 года. Реакция среды субстратов варьирует от нейтральной до слабокислой. В видовом составе древесного яруса отмечено 10 видов деревьев. Древесный полог двуярусный, верхний ярус характеризуется высокой долей участия Betula pendula и Populus tremula (cop2), Pinus sylvestris (cop1), встречается Betula pubescens (sol), сомкнутость крон – 75%. Подрост представлен Picea obovata и Pinus sibirica (sol), и единичными экземплярами Larix sibirica и Abies sibirica. Кустарниковый ярус представлен 14 видами, преобладают Sorbus aucuparia, Padus avium. ОПП травяно-кустарничкового яруса 15-20%, из кустарничков расселяются Chimaphila umbellata и Vaccinium vitisidaea (un gr), распространены 3 вида полукустарничков: Orthilia secunda (sp gr–cop1 gr), Pyrola rotundifolia, P. media (sol); в травянистом ярусе – Fragaria vesca, Aegopodium podagraria L., Rubus saxatilis, Moneses uniflora (L.) A. Gray). Моховое покрытие не значительно. Всего на участке произрастает 102 вида.

ЛФ 4 формируется вдоль внутренней дамбы на участке с намывом глины на золоотвале Среднеуральской ГРЭС (г. Среднеуральск, подзона южной тайги), возраст фитоценоза более 45 лет. Реакция среды субстрата слабокислая. Сомкнутость древесного яруса составляет 70-80%, древесный ярус представлен 6 видами, из них Betula pendula (cop 2 ), B. pubescens , Populus tremula , и Pinus sylvestris (sp–cop 1 ), Larix sibirica (un). Кустарниковый ярус выражен слабо, встречаются Sorbus aucuparia , Salix myrsinifolia Salisb., Padus avium . Формируется тра-вяно-кустарнич-ковый ярус (ОПП до 60%), из кустарничков отмечены единичные особи Chimaphila umbellata (un gr), из полукустарничков весьма обильны Orthilia secunda , Pyrola rotundifolia (cop 1 gr), из травянистых растений – Festuca rubra L. и F. pratensis Huds., Moneses uniflora и др. Моховолишайниковый ярус слабо выражен. Всего в растительном сообществе выявлено 64 видов растений.

ЛФ 5 расположен на отвале Сухореченского месторождения доломитов (пос. Билимбай, Первоуральского района, подзона южной тайги). Породный состав отвала: доломиты рассланцованные плотные и доломитизированные известняки, смесь обломков доломитов с элювиальными глинами, каменистость пород 70-85%. Грунтосмеси карбонатные, реакция среды щелочная. Формирующийся лесной фитоценоз (возраст 45 лет) имеет выраженную вертикальную структуру. Сомкнутость древесного яруса составляет 40-70%. В его составе 6 видов деревьев, преобладает Pinus sylvestris (sp gr–cop 1 ), Picea obovata (sol–sp), Betula pendula (sol), единично встречаются Populus tremula , Betulа pubescens . Кустарниковый ярус выражен слабо, представлен 6 видами, среди которых наиболее распространены Salix pentandra L., Rosa acicularis , Chamaecytisus ruthenicus . Травянистый ярус разрежен, распределение растений неравномерное, проективное покрытие на открытых местах достигает 40%, под пологом древесных видов – 10%. Кустарничков не обнаружено, активно расселяются полукустарнички Pyrola rotundifolia (sp gr) Orthilia secunda (sol gr), из травянистых видов доминируют Fragaria vesca , Pimpinella saxifraga L. (sp gr–cop 1 ). Моховое покрытие не значительно (ОПП 10%). Всего в растительном сообществе встречено 72 вида.

ЛФ6 произрастает на отвале №4 Галкинского месторождения мраморизированного известняка, возраст растительного сообщества 45 лет. Отвал сложен из отдельных участков глин и суглинков с кучами глыб известняка и мелочи с дробильнообогатительной фабрики, а также гравием из известняка. В фитоценозе произрастает 67 видов растений, 12 из них – деревья и кустарники. Сомкнутость древесного яруса варьирует от 35 до 60%. Основная доля в древостое принадлежит 5 видам деревьев: Pinus sylvestris (cop1), единично Picea obovata, из лиственных пород произрастают Betula pendula (sol gr), Populus tremula и Betulа pubescens (sol). Отмечается формирование подлеска (7 видов) в составе Sorbus aucuparia, Chamaecytisus ruthenicus, Salix myrsinifolia, S. caprea, S. cinerea L. ОПП кустарникового яруса достигает 25%. Формируется травяно-кустарничковый ярус (ОПП 35%), Отмечено заселение участка кустарничками (Chimaphila umbellata) и полукустарничками (Orthilia secunda (sр gr), Pyrola rotundifolia (sol gr) и др.), из травянистых видов преобладают: Trifolium pratense (cop2gr), Medicago lupulina L. (cop1gr).

ЛФ 7 расположен на отвале № 3 Баженовского месторождения асбеста (г. Асбест, подзона южной тайги), возраст 40 лет. Отвал сложен вскрышными породами и отходами обогатительной фабрики после извлечения асбеста, породы карбонатные, слабощелочные. В формирующемся лесном фитоценозе преобладают древесные виды: Pinus sylvestris (cop 1 ), Betula pendula (sp), единично встречаются Populus laurifolia Ledeb., P. nigra L., P. suaveolens L., Betula pubescens. Наряду с подростом основных культур отмечены молодые особи Populus tremula , кустарниковые виды представлены Salix triandra L. и S. caprea . Из полукустарничков встречается Orthilia secunda (sol gr). Травянистый ярус выработан слабо, ОПП 10-20%, встречаются Fragaria vesca , Festuca rubra , Deschampsia cespitosa (L.) Beauv. (sol gr). Мохово-лишайниковый ярус отсутствует. Всего выявлено 66 видов.

По пригодности для использования в целях рекультивации все перечисленные техногенные субстраты характеризуются как нетоксичные, малопригодные из-за крайне низкого содержания основных элементов питания [12] и неблагоприятных физических свойств (каменистость). Подробная характеристика объектов представлена в работе [11, 13]. Изучение 40-48-летних лесных фитоценозов, формирующихся на отвалах промышленных предприятий Среднего Урала, показало устойчивый рост фиторазнообразия с увеличением возраста растительных сообществ и углубление процесса сильватизации на всех изученных участках. На отвалах горнодобывающей промышленности, сложенных скальными горными породами, образующими крупнокаменистые и глыбистые нагромождения, и отвалах отходов асбеста, отмечено, что заселение видами происходит медленно, растительные сообщества имеют обедненный видовой состав и упрощенную структуру. На отвалах перерабатывающей промышленности (золоотва-лы) и отвалах, сложенных песчаными и глинистыми породами видовое богатство лесных фитоценозов выше. Анализ видового богатства с учетом обилия видов выявил зависимость данного показателя от свойств субстрата (рис. 1).

Видовой состав растительных сообществ имеет довольно низкие коэффициенты сходства, так коэффициент сходства Жаккара варьирует от 24 до 48%. С увеличением возраста сообществ коэффициенты видового сходства увеличиваются.

Процесс сильватизации сопровождается усложнением структуры фитоценозов, увеличением числа древесных видов, внедрением в их состав кустарников, кустарничков и полукустарничков, характерных для бореальной зоны [14-16]. Основу древесного яруса формирующихся лесных фитоценозов составляют раннесукцессионные виды: Pinus sylvestris , Populus tremula , Betula pendula (табл. 1).

К 30-40 годам формируется подрост из позднесукцессионных видов: Picea obovata , Pinus sibirica , Larix sibirica , Abies sibirica . Видовой состав подроста зависит от близости источников заноса семян древесных растений. Формируется подлесок из кустарников: Sorbus aucuparia , Rosa acicularis , Salix . По данным С.А. Мамаева и др. [17] лесовозобновление на промышленных отвалах считается успешным, если на 2-5-й год после окончания их формирования число молодых древесных растений составляет 3-10 тыс. шт. на 1 га, а сомкнутость более старых древостоев достигает 70% и более. При удовлетворительном зарастании отвалов, число подроста составляет 1-3 тыс. шт. на 1 га (через 5-10 лет после окончания их формирования), а сомкнутость крон 20-летних древостоев – 40%. Анализ полученных данных позволяет считать, что зарастание обследованных промышленных отвалов происходит большей частью удовлетворительно и успешно.

Рост биоразнообразия сопровождается появлением в фитоценозах видов, относящихся к категории редких и охраняемых на Урале. Так в изученных растительных сообществах, формирующихся на промышленных отвалах, обнаружено 6 видов семейства Orchidaceae, характеризующихся довольно широкой экологической амплитудой. Популяции большинства из этих видов являются малочисленными, кроме популяций Platanthera bifolia (L.) Rich., численность которых в 30-45летних лесных фитоценозах, формирующихся на золоотвалах, достигает 500-700 особей [18]. Характерной особенностью лесных фитоценозов, формирующихся на промышленных отвалах, является высокая доля в их составе луговых, лугово-сорных и сорных видов.

Таблица 1. Характеристика древостоев на промышленных отвалах Урала

Выводы: установлено, что на промышленных отвалах горнодобывающей и перерабатывающей промышленности Среднего Урала к 40-48летнему возрасту в процессе самозарастания формируются смешанные лесные фитоценозы со сложной выраженной структурой. Видовой состав и структурная организация растительных сообществ определяется следующими экологическими условиями: зонально-географическим расположением отвала; наличием вблизи него источников заноса семян древесных и кустарниковых растений; эдафическими условиями (разнообразием физических свойств, механическим и химическим составом грунтов); типом отвала по происхождению; периодом формирования. Лесовосстановление на изученных объектах происходит успешно и удовлетворительно.

Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания УрФУ № 2014/236, код проекта 2485.