Влияние элементов рельефа на естественное возобновление древесных видов на отвалах вскрышных пород в условиях северной лесостепи Кузнецкой котловины

Введение. Естественное лесовозобновление – важнейший природный механизм формирования биоценозов в новообразованных техногенных ландшафтах. Естественные древесные формации северной лесостепи, как и искусственно созданные на прилегающих территориях древесные насаждения, в ряде случаев определяют лесной тип зарастания отвалов [4].

Поселение растений на свободных от растительности участках начинается с обсеменения территории. Попадание семенного материала древесных растений на отвалы может происходить несколькими путями. Семена сосны обыкновенной, березы повислой и некоторых других, обладая хорошими аэродинамическими свойствами, с помощью ветра попадают на участки отвалов, расположенные за несколько километров от источника обсеменения. Другие виды, например кедр сибирский и облепиха крушиновидная, благодаря зоохорности, способны проникать еще дальше – птицы переносят их семена на десятки километров.

Как известно, самозарастание отвалов древесными видами происходит неравномерно [1]. Успешность обсеменения территории может быть связана с орографическими особенностями отвалов, с внутренней миграцией семян в зависимости от склонов и экспозиций, которые трансформируют действие воздушных потоков и корректируют влагообеспеченность. Поэтому одним из первых вопросов самозарастания отвалов является изучение особенностей распределения семян и подроста древесных растений на различных элементах рельефа отвалов.

Цель работы . Оценить особенности распределения семян и самовозобновления древесных пород на отвалах угольной промышленности.

Объекты и методы. Объекты исследования – спланированные железнодорожные отвалы Кедров-ского угольного разреза (г. Кемерово). При подборе участков исследования учитывалась равноудаленность от источников семенного возобновления – естественных лесных массивов, участков лесной рекультивации или естественного лесовозобновления на старовозрастных отвалах.

Растительное окружение отвалов представлено молодыми березово-сосново-кустарниковыми насаждениями. Первый ярус составляют береза повислая ( Betula pendula ), осина ( Populus tremula ), сосна обыкновенная ( Pinus sylvestris L.), в подлеске встречаются черемуха ( Padus avius ), облепиха ( Hippophae rhamnoides ), ивы ( Salix caprea , S. Cinerea ). Формула древостоя 8Б1Ос1С, полнота 0,3–0,5. Травяной покров разнотравно-злаковый, общее проективное покрытие (ОПП) – 50–80 %.

На участках лесной рекультивации без нанесения потенциально плодородного слоя произрастают 25летние плодоносящие сосняки I–II классов бонитета с полнотой 0,5–0,9. Травянистый покров слабый, ОПП 10–50 %. Присутствуют частично деградированные 30-летние облепиховые посадки, подверженные периодическим пожарам.

На прилегающих отвалах с естественным лесовозобновлением древесных растений имеются группы Betula pendula высотой до 10 м, единичными Pinus sylvestris , Populus tremula, встречаются кусты Salix vimi-nalis, Populus balsamifera, Acer negunda , Hippophae rhamnoides. Травянистый покров образован разнотравнозлаковым сообществом с общим проективным покрытием, равным 40–60 %.

Для проведения исследований выбрано 4 экотопа с различными орографическими условиями.

• 1.    Межотвальная котловина. Она образована двумя грядами отвалов высотой до 20 м, после механической сортировки техногенного элювия по краям вдоль бортов отвалов сформировался выраженный рельеф из глыб аргиллитов и песчаников. Флористический состав представлен 23 травянистыми видами. Наиболее высокое проективное покрытие (ПП) Poa angustifolia (30% ПП) и Dactylis glomerata (20%), по 3 % приходится на Festuca pratensis, Onobrychis arenaria и на подрост Hippophae rhamnoides и Pinus sylvestris . Общее проективное покрытие травостоя 40–60 %.

• 2.    Плакор – спланированная вершина отвала. Субстрат отвала состоит из каменисто-щебнистых фракций аргиллитов и песчаников. Число травянистых видов на участке – 23, из них по 15 % ОПП имеют Festuca pratensis и Dactylis glomerata, 10 % – Pastinaca sylvestris . Проективное покрытие прочих видов менее 3 %.

• 3.    Склон южной экспозиции имеет крутизну 30–35°. Травянистый покров представлен разнотравнозлаковым сообществом, его ОПП составляет 70–80 %. Количество таксонов на этом участке – 29 (из них 6 – древесные виды). Наиболее высокое ОПП имеет подрост Hippophae rhamnoides – 25 %, из травянистых видов преобладает Poa angustifolia – 20 % и Dactylis glomerata – 10 %, по 5 % ПП имеют Elytrigia repens и Fragaria viridis, остальные – 2 % вместе взятые.

• 4.    Склон западной экспозиции. Крутизна склона составляет 35–40^о. Травостой разнотравнозлаковый, общее проективное покрытие – 50–70 %. На участке зафиксировано всего 13 таксонов, при этом ПП травянистого яруса – 70 %. Из древесных видов 60 % ПП принадлежит Hippophae rhamnoides, единично – Sorbus sibirica и Salix caprea. Остальные 9 видов – травянистые: доминируют Poa angustifolia (ПП 20%) и Dactylis glomerata (15%), покрытие остальных видов 5 % и менее.

Работы по изучению лесовозобновления и распределения семян древесных видов проводились в течение 3 полевых сезонов (2011–2013 гг.). Учет подроста проводился в соответствии с методикой А.В. Побе-динского [5]: в пределах экологически однородного участка закладывались серии из 100 площадок (размер площадок 1×1 м), на которых определялся видовой состав, количество и возраст подроста. Учитывали молодой подрост от 2 до 7 лет, или высотой до 1,5 м [2]. Для оценки успешности возобновления использовалась шкала В.Г. Нестерова [3], в соответствии с которой количество подроста до 1 тыс. шт/га следует считать неудовлетворительным возобновлением, 1–3 тыс. шт/га – слабым, 3–5 тыс. шт/га – удовлетворительным, а свыше 5 тыс. шт/га – хорошим.

Для определения количества семян на поверхности отвала использовался метод семеномеров. Такие семеномеры представляют собой деревянные ящики размером 1×1 м и высотой 15 см. Сверху они покрываются полимерной сеткой с ячеей 5×5 мм для предотвращения попадания вместе с семенами листового опада. Днище ящиков изготавливается из водопроницаемого материала для стока дождевой воды. На каждом участке постоянно находилось 4 семеномера, а три года наблюдений обеспечивали 12-кратную повторность каждого варианта. Закладка, сбор семян и переустановка семеномеров производилась 2 раза в год: в середине мая – до начала вылета семян раннеплодоносящих древесных видов и в середине октября – для учета видов, семена которых опадают в зимне-весенний период. Собранный из семеномеров материал высушивался, семена отделялись от мусора, идентифицировались и подсчитывались. Статистическая обработка проводилась с использованием программ Statistica 6.0 и MS Excel®.

Результаты. Среди подроста различных древесных растений выделяются 4 вида: сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), береза повислая (Betula pendula), осина (Populus tremula) и облепиха крушиновидная (Hippophae rhamnoides). Эти виды имеют высокую встречаемость (60 % учетных площадок и более) (рис. 1). Прочие древесные виды имеют низкую встречаемость (менее 20 %) и представлены единично. По количеству подроста в меж- отвальной котловине преобладают сосна – 4,5±0,33 тыс. шт/га и осина – 4,0±0,43 тыс. шт/га, их возобновление оценивается как удовлетворительное.

Рис. 1. Распределение подроста основных древесных видов

На прочих участках сосна и осина имеют неудовлетворительное возобновление – менее 0,7 тыс. шт/га. На плакоре, так же как и на склонах различных экспозиций, резко преобладает облепиха, где она имеет успешное возобновление – от 8,9±0,18 до 6,2±0,46 тыс. шт/га.

Возобновление березы повислой во всех типах местообитаний неудовлетворительное – менее 0,4 тыс. шт/га.

Обсемененность поверхности различных элементов рельефа древесных видов существенно отличается от распределения подроста (рис. 2). По количеству семян повсеместно выделяется береза: наибольшее количество семян березы в межотвальной котловине – 307,7±56,7 тыс. шт/га; на плакоре и склоновых поверхностях – соответственно по 148,8±37,4, 110,2±7,7 и 178,0±23,1 тыс. шт/га.

BPopuhis tremnla

□ Hippophae rhamno ides

Рис. 2. Распределение семян основных древесных видов

Сопоставимое количество в межотвальной котловине семян осины – 145,7± 43,1 тыс. шт/га, однако на плакоре их количество в 30 раз меньше – 4,7±5,9, а на склоновых участках они присутствуют спорадически и составляют 0,8±0,2 и 0,3±0,14 тыс. шт/га.

Семена облепихи крушиновидной распределяются более равномерно: максимальное их количество в межотвальной котловине – 54,0±6,2 тыс. шт/га, несколько меньше на плакоре – 31,6±3,8, на южном склоне – 28,4±6,6 и на западном склоне – 20,5±5,1 тыс. шт/га, причем последние три участка статистически значимых различий между собой не имеют.

Количество семян сосны обыкновенной минимально на всех типах рельефа: выше всего в межотвальной котловине – 7,5±1,45, а на плакоре и склонах – от 0,8±0,35 до 1,4±0,8 тыс. шт/га.

Ввиду такой диспропорции подроста и семян представляет интерес сопоставление этих двух показателей (рис. 3). По соотношению количества подроста к количеству семян на плакоре и межотвальной котловине лидирует сосна – 84,3 и 59,6 % соответственно, на склонах это соотношение у сосны составляет 12 %.

Рис. 3. Соотношение количества подроста к количеству семян

На склоновых участках наиболее высокое соотношение подрост:семена у осины – 25,0 и 37,5 %, облепихи – 26,6 и 30,2 %. На плакоре это соотношение у облепихи сопоставимо со значениями на склонах – 28,3 %, а осины снижается на порядок – 2,1 %. В межотвальной котловине данный показатель у обеих пород низкий – 2,8 и 4,4 % соответственно.

У березы повислой соотношение подрост:семена очень низкий на всех элементах рельефа – менее 0,2 %.

Результаты и их обсуждение. Межотвальная котловина обладает наиболее благоприятными экологическими условиями для поселения лесной растительности. Этому свидетельствует удовлетворительное и хорошее возобновление сосны, осины и облепихи. Защищенность котловины обеспечивает благоприятный ветровой режим, способствующий оседанию здесь переносимых воздушными потоками семян деревьев, а режим влажности, связанный с относительно низким расположением котловины, менее высоким уровнем инсоляции за счет частичного отенения бортами отвалов, обеспечивает закрепление и прорастание семян и создает щадящие условия для самосева и подроста.

Неудовлетворительное возобновление березы при огромном количестве семенного материала не укладывается в общую закономерность. Возможно, это связано с наличием густого травостоя на данном участке, с одной стороны, и особенностями плодоношения березы – с другой. Поскольку вылет семян березы происходит зимой, они попадают на поверхность отвала только после схода снегового покрова. Вероятно, при высоком проективном покрытии травостоя, его большой морт-массе в весенний период семена березы могут прорасти, не достигнув поверхности отвала, и при весеннем подсушении погибают.

Семена сосны более тяжелые, им требуется больше времени для прорастания, вероятно, прорастают уже на почве, защищенной от воздействия солнца и суховеев морт-массой травянистых растений, и в основном количестве сохраняются. Также и семена облепихи, переносимые птицами, попадая на поверхность отвалов, имеют повышенную энергию прорастания, а всходы облепихи более крупные, чем, например, березы, устойчивы к экологическим особенностям отвалов. Плодоношение семян осины происходит в конце мая – начале июня и совпадает, как правило, с обильными ливневыми осадками, которые благоприятствуют попаданию семян на поверхность отвалов и прорастанию.

Поселение древесных видов на плакоре и склоновых поверхностях различных экспозиций происходит иначе, чем в межотвальной котловине. Безусловным лидером возобновления здесь выступает облепиха крушиновидная. Возвышенные формы рельефа охотно посещаются птицами, которые питаются ягодами облепихи и, таким образом, разносят ее семена по склонам и вершинам отвалов.

Семена березы повислой также в большем количестве встречаются на отвалах. Вероятно, на склоновых поверхностях закреплению всходов березы и формированию подроста препятствуют два фактора: во-первых, плоскостной смыв талыми водами, во-вторых, иссушение оставшихся. Поэтому возобновление березы на исследуемых участках носит случайный характер. Подобным образом, спорадически, происходит поселение осины на склонах отвалов, где летние ливневые дожди, в отличие от межотвальных понижений, не содействуют закреплению семян и сеянцев осины, а, наоборот, способствуют их смыву.

Характерной особенностью самовозобновления сосны является высокая сохранность всходов и подроста при относительно низкой обсемененности поверхности. Межотвальная котловина, в которой максимальное количество и подроста, и семян, очевидно, заселяется сосной с участков лесной рекультивации, которые, как правило, располагаются значительно выше. На плакорах обсеменение сосной, вероятно, происходит таким же образом. Склоновые участки, скорее всего, также успешно обсеменяются, но в весенний период семена смываются к подножию отвалов вследствие водноэрозионных процессов.

Выводы

• 1.    Наиболее благоприятные условия для лесовозобновления складываются на пониженных элементах рельефа отвалов, наименее – на склонах южной и западной экспозиций.

• 2.    Максимальной семенной продуктивностью при обсеменении отвалов обладает береза повислая, которая при благоприятных условиях для прорастания семян и сохранения всходов способна занять лидирующие позиции.

• 3.    Наиболее высокой способностью к прорастанию семян и сохранностью подроста при естественном поселении на отвалах обладает сосна обыкновенная, которая при наличии плодоносящих сосняков в растительном окружении отвалов или на участках лесной рекультивации может выступать основной древесной породой естественного лесовозобновления на отвалах.

• 4.    Безусловным лидером при заселении склонов отвалов является облепиха крушиновидная, формирующая на данных участках одновидовые насаждения.

• 5.    При естественном облесении на роль содоминанта лесного яруса в мезоморфных местообитаниях отвалов (понижения, западины, межгребневые пространства) может претендовать осина.