Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Биопедоценоз как показатель экологического состояния техногенного ландшафта

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Биопедоценоз как показатель экологического состояния техногенного ландшафта"

На правах рукописи

ГОЛОВАСТИКОВА Антонина Валентиновна

БИОПЕДОЦЕНОЗ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЛАНДШАФТА

Специальность 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Курск-1997

Работа выполнена на кафедрах почвоведения и агрохимии, экологии и охраны природы Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И. И. Иванова в 1994-1996 гг.

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАЕН, ААО РФ В. Д. Муха; доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАЕН А. И. Стифеев.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук В. П. Герасименко; кандидат сельскохозяйственных наук, доцент С. А. Шульга

Ведущая организация: Орловская государственная сельскохозяйственная академия

Защита диссертации состоится «¡/С МШ'вР/и У-1997 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д. И0.25.01 в Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И. И. Иванова, по адресу: 305021, г. Курск, ул. К. Маркса 70.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И. И. Иванова.

Автореферат разослан //-Гг./у ¿1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Актуальность исследований. Современное естественное состояние Земли характеризуется острым кризисом взаимоотношений человека и природы. Особенно это касается урбанизированных техногенных территорий, где возникает противоречие между характером хозяйственного и техногенного использования земель и экологически рациональным и безопасным развитием ландшафта.

Накопившиеся за десятилетия социально-экологические проблемы особенно ярко проявляются в районах с высокой концентрацией населения, хозяйственного, социально-культурного потенциала.

Существуя в окружающей среде, человек давно установил, что ее деградация лишает людей нормальных условий жизни. В связи с чем возникает вопрос сохранения и восстановления экологической устойчивости среды, которая заключается в сохранении устойчивости отдельных ее подсистем. Поэтому, изучение именно этой проблемы - устойчивости активного центра биосферы - биопедоценоза, является актуальным и особенно значимым. Биопе-доценоз - это элемент территории, однородный в геоморфологическом и гидротермическом отношении, единый по характеру почвенного покрова и естественной растительности (фитоценоз) с присущими им организмами и режимами в пределах почвенного и растительного покровов (В. Д. Муха, 1979).

Цель работы. Целью настоящей работы было: установление особенностей формирования биопедоценозов, определение экологического состояния отвалов вскрышных пород Михайловского железорудного карьера КМА, а также возможности их рационального использования.

Задачи исследований:

-Изучить изменение физико-химических свойств грунтово-почвенных субстратов в зависимости от особенностей биопедоценоза;

-Определить корреляции сукцессионных особенностей растительного покрова в условиях различных элементарных ландшафтов и их влияние на почвообразование;

-Установить уровень развития зооценоза в зависимости от характера и возраста грунтово-почвенного субстрата;

-Определить характер микробиологической и ферментативной активности отвалов на различных этапах почвообразовательного процесса;

-Рассмотреть различные компоненты биоценоза как индикатора процесса почвообразования;

-Выявить оптимальные условия использования исследованных отвалов.

-Установить взаимосвязь между характером биопедоценоза и экологическим состоянием техногенного ландшафта.

Научная новизна исследований:

-Впервые в условиях отвалов вскрышных пород Михайловского железорудного карьера КМА выявлены особенности формирования ценозов биологических организмов, установлены взаимосвязи, свойственные техногенным экосистемам.

-На основе проведенных исследований и полученных результатов разработан комплексный подход к изучению биолого-почвенных условий отвальных экосистем - техногенных биопедоценозов.

На защиту выносится:

-Концепция эволюции биопедоценоза и отдельных его компонентов в зависимости от типа исходной геологической породы и возраста техногенного ландшафта.

-Оценка экологического состояния изученных техногенных ландшафтов.

-Приемы рационального использования техногенных экосистем.

Практическая значимость:

-Предложена методика экологической оценки территорий, измененных открытой разработкой полезных ископаемых на основе оценки состояния биопедеценоза и рассмотрены перспективы их стабилизации.

-Даны практические рекомендации к использованию отвальных территорий, в частности предложено:

-использовать их для целей промышленного медосбора;

-закрепить за отдельными участками отвалов статус охраняемых территорий с целью сохранения флористического богатства подзоны северной лесостепи.

Объекты исследования. Отвалы из лёссовидного суглинка и глины кел-ловея (5-ти, 15-ти и 25-ти лет) Михайловского железорудного карьера КМА.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И. И. Иванова (1995-1997 гг.), на всероссийской научной конференции «Экология и образование» (Курск, 1994): на Международном экологическом форуме «Современные экологические проблемы провинции» (Курск, 1995), на Международном совещании «Биологическая рекультивация нарушенных земель» (Екатеринбург, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем работы. Материал диссертации изложен на 132 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций производству. В тексте 17 таблиц, 29 рисунков, 19 приложений. Список использованной литературы включает 273 источника, в том числе 8 иностранных. 4

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. БИОЦЕНОЗЫ И ПРОЦЕССЫ ПОЧВОБРАЗОВАНИЯ

В ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ (краткий обзор литературы)

В обзоре литературы проанализированы основные направления изучения биоценозов техногенных экосистем: фитоценозов, альгоценозов, микробоце-нозов, ценозов почвенных беспозвоночных и др. в различных климатических условиях России и ближнего зарубежья. Рассмотрены вопросы процессов почвообразования щученные основными школами рекультивации. Определены задачи, требующие изучения в комплексе экологорекультивационных проблем.

Глава П. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В наших исследованиях контролем-служили биопедоценозы сформированные на зональной серой лесной почве.

Закономерности естественного зарастания изучались согласно методикам биологических исследований в ненарушенных (А. А. Шенников, 1964, А. Г. Воронов, 1973, Программа и методика биогеоценотических исследований, 1974) и техногенных (Программа и методика изучения техногенных биогеоценозов, 1978) экосигсемах на 60 постоянных площадках по 100 м2 с учетными площадками 1 м2. Определялся ценотический, флористический и видовой состав, обилие видов (по Друде), сложение травостоя: проективное покрытие, количество растений на 1 м2, биомасса (наземная и подземная), коэффициент общности видового состава и др. Результаты исследований обработаны согласно методике анализа геоботанических материалов (Ю. Н. Нешатаев, 1987). Растения определены по «Флоре Европейской части СССР» (1964). Видовая номенклатура скорректирована по С. К. Черепанову (1981).

Исследования водорослевых ценозов проводились методом изучения чашечных культур (М. М. Голлербах, Э. А. Штина, 1969, Э. А. Штина, 1984).

Исследования микробиологической активности осуществлялись несколькими способами: цсллюлозоразлагающая способность (по Мишустину); про-теолетическая активность (по Оганову); шпрификационная способность - по скорости разложения мочевины (Т. В. Аристовская, 1989), микробные ценозы - посевом на плотных питательных средах: МПА, КАА, подкисленной среде Чапека (Е. 3. Теппер и др., 1983). Интенсивность и направленность процессов трансформации органического вещества на отвалах рассчитывалась по методике В. Д. Мухи (1980). Энзимологическая активность почвогрунтов изучалась по активности каталазы, пероксидазы, полифенол-оксидазы по методикам А. Ш. Галстяна (Ф. X. Хазиев, 1976). Исследования почвенной фауны проводились методом ручной выборки (И. Л. Бабьева, Г. М. Зенова, 1983). Количество тяжелых металлов в почвогрунгах определялась атомно-адсорбционным способом в ацетатно-аммонийной вытяжке.

Уровень зрелости "молодых почв" отвалов оценивали по морфологическим и физико-химическим свойствам почвогрунтов. С этой целью изучались почвенные разрезы, сделанные в наиболее типичных участках, отбирались почвенные образцы по профилю и определялись следующие показатели: гумус - по Тюрину (в модификации Никитина); рН солевое - потенциометриче-ски; сумма обменных оснований (по Каппену - ГильковицуД азот щелочногид-ролизуемый по Корнфидцу, обменный калий и фосфор (по Чирикову), обмененные Са^ и Mg^ (в модификации ЦИНАО).

Глава Ш БИОПЕДОЦЕНОЗЫ ОТВАЛОВ

При техногенном воздействии экосистема, однажды изменившись, не может сохранятся в одном и том же состоянии. Начинается процесс трансформации структуры, которая определяется природными условиями существования данной системы и дальнейшей антропогенной нагрузкой. В связи с тем, что организмы живут и эволюционируют в определенных условиях окружающей среды, важно исследовать сложные взаимосвязи между ними и факторами среды (прежде всего почво-грунты).

В целом на отвалах лессовидного суглинка и глины келловея обнаружен 81 вид цветковых травянистых растений, относящихся к 24 семействам и 10 видов древесно-кустарниковой растительности. Наиболее многочисленны семейства: Астровых (Asteraceae) - 29 видов, Мотыльковых (Fabaceae)- 18 видов, Норечниковых (Scrophulariaceae) - 7 видов, Мятликовых (Роасеае) - 6 видов, Розанных (Rosaceae) - 5 видов, Гречишные (Poligonaceae) и Капустные (Brassicaceaea) представлены 4 видами, прочие семейства 1-2 видами, при этом сложение травостоя на лёссовидном суглинке отличается от такового на глине келловея.

Наибольшей встречаемостью на обследованных отвалах обладают следующие виды: мать-и-мачеха (Tussilago farfara) и вейник наземный (Calamagrostis acutifolia) - 75% на всех отвалах; одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale) - 62%, пастернак лесной (Pastinaca silvestris) - 60%, тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium) - 58%, и цикорий обыкновенный (Cichorium intybus) - 50% (первоначально в тексте дается русское и латинское название отделов, семейств, родов и ввдов, далее - только русское).

На заселение отвалов растительностью, кроме условий питания оказывают влияние экологические условия, складывающиеся в почвогрунтах на начальных этапах формирования биолого-почвенных сообществ. Они обуславливают скорость заселения и видовой состав пионерной флоры.

К 5-летнему возрасту на отвалах отсыпанных лёссовидным суглинком формируется полидоминантное сообщество, где видами-эдификаторами являются: мать-и-мачеха, цикорий обыкновенный, хвощ луговой (Eguisetum 6

pratense), кипрей узколистый (Chamaerion ongustifolium), пупавка красильная (Annthemis tinctoria). Содоминанты: люцерна хмелеватая (Medicago lupulina), тысячелистник обыкновенный, одуванчик лекарственный, пырей ползучий (Agropyron repens). К рудеральньш относятся - 88 % видов. Отмечено неравномерное зарастание отвалов. Проективное покрытие от 30% - на южных до 60% - на северных склонах. Количество растений на 1 м2: от 53 экземпляров -на южных до 144 - на северных склонах, количество видов на 1м2 соответственно 4 и 6, биомасса (вегетативная) от 270 г/м2 до 545 г\м2. Коэффициент общности видового состава 21% за счет большого количества сорно-рудераьных видов (табл. 1).

1.Сложение травостоя отвалов, отсыпанных лёссовидным суглинком и глиной келловея

5 лет 15 лет 25 лет

Показатели СЗ ЮВ СЗ ЮВ СЗ ЮВ

склон Плато склон склон Плато склон склон Плато склон

Проективное покрытие, 60 55 30 Лес 90 60 Лес 100 40

% 70 - 50 80 10 20 10 10- 30

100

Количество растений 144 91 53 Лес 280 336 Лес 513 175

на 1 м2 56 - 27 152 28 41 26 89 57

Биомасса 545 320 130 Лес 500 1500 Лес 420 290

(вегетативная), г/м2 390 - 250 720 250 430 - 1200 350

Количество видов 8 5 5 Лес 10 9 Лес 12 9

на 1 м2 1 - 2 6 2 4 2 8 11

Коэффициент дис- 36 зз 25 Лес 34 22 Лес 27 24

персности (ЛЛЗ), % 50 - 36 33 67 21 143 28 42

Коэффициент рассея- 2Я М 12 Лес 15 23 Лес ZÁ 35

ния 4 - 3.1 4.4 5 6.2 2 2.9 25

Коэффициент пестро- 35 27 И Лес 28 42 Лес 37 38

ты сложения, % 25 - 52 23 50 17 49 34 40

Коэффициент общно- 21 9^5 7

сти видового состава 25 15 12

Жаккара

(по отвалу), %

Примечание: числитель - лёссовидный суглинок;

знаменатель - глина келловея.

Ценотический состав (рис. 1) значительно отличается от зонального большой долей однолетников, стержнекорневых и ксеромезофитных видов семенного возобновления. К 15 летнему возрасту на отвалах лёссовидного суг-

7

5 лет 15 лет

А а «

65%

13%

80%

22%

□ 1 02 НЗ

В 2в%

41%

Б

79% |И1 П2[ 17%

бац [лТБТиз!

26»

32%

1в%

88%

25 лет

ф

32% 29%

88%

19«

26%

82%

$0%

62%

Контроль

4% 8%

96%

22%

44%

14%

7%

79%

93%

36%

Рис 1. Ценотический состав растительности на отвалах лёссовидного суглинка:

А- по продолжительности жизни: 1 -однолетники, 2-двулетники, 3-многолетники; В- по расположению почек возобновления по отношению к поверхности почвы: 1- гемикрептофиты, 2- крептофигы, 3- терофиты, 4- ха-мефиты; С- по типу подземных органов: 1-стержнекорневые, 2-корневшцные, 3-дерновые; В- по отношению к влаге: 1-мезофигы, 2-ксеромезофиты, 3-гигрофиты; Р- по типу преобладания возобновления: 1- семенное, 2- вегетативно-семенное, 3-семенно-вегетативное 8

линка формируется группово-зарослевое сообщество с признаками дисперсности с доминированием пырея ползучего, клевера лугового (Trifolium arvense) и ползучего (Т. repens), люцерны хмелеватой.

К 25-летнему возрасту, на выровненных участках отвалов из четвертичного лёсса, формируется климаксовое сообщество со 100 % проективным покрытием, видовой насыщенностью 9-12 видов на 1 м2 и количеством растений - 420 экземпляров на м2 (против 540 экземпляров в зональном фитоценозе). Видами-эдификаторами являются: люцерна хмелеватая и серповидная (М. falcata), цикорий обыкновенный, тысячелистник обыкновенный, мятлик луговой. Коэффициент общности видового состава падает с 21 до 7%, что связано с дифференциацией травостоя склонов и плато. Платообразные участки, по характеру травостоя, приближаются к зональным. Экспозиции северных склонов зарастают древесной растительностью характерной для пустошей: осина (Popylus trémula), береза повислая (Betula péndula) и ив (Salix caprea, S. alba). Травостой южных склонов носит рудеральный характер.

На глине келловея, где складываются более суровые экологические условия, к 5-летнему возрасту формируется монодоминантная мать-и-мачеховая группировка с 75 % проективным покрытием на северных и северо-западных и 5-50 % покрытием на южных и юго-восточных склонах. В микропонижениях обилен вейник наземный. Травостой имеет абсолютно рудеральный характер. Ценотический состав травостоя достаточно однообразен (рис 2.).

С увеличением возраста отвалов изменения идут по пути усложнения видового состава и стабилизации характера зарастания.

Так к 15 годам на отвалах из глины келловея формируется простое зарос-лево-групповое сообщество с куртинным зарастанием: мать-и-мачехи, хвоща лугового и клевера шуршащего (Т. strepens), вейника наземного и кипрея узколистого.

К 25 летнему возрасту формируется сложное группово-зарослевое травянистое сообщество с разреженным древостоем . Гряды зарастают монодоминантными группировками донника лекарственного (куртины до 50 м2) с 100% проективным покрытием. Через год в отсутствие донника лекарственного зарастание этих участков составляет 10 %. В эти годы активно развивается донник белый. Прочие участки имеют рудерально-луговой состав растительности при проективном покрытии 40 % (в среднем 89 экземпляров на м2). Общность видового состава падает с 25 % (на 5-летних отвалах) до 12 % (на 25 -летних отвалах) (см. табл. 1). Ценотический состав меняется в сторону зонального, что выражается в увеличении доли корневищных мезофитов.

На северных склонах отвалов лёссовидного суглинка и глины келловея встречается ряд растений охраняемых в Курской области: Пальцекоренник кровавый (Dactilorhiza cruenta), валериана лекарственная (Voleriana officinalis), на 15-25 летних отвалах глины келловея, майник двулистный (Maianthemum bifolium) - на 25 летних отвалах лёссовидного суглинка.

5 лет А - о%

15 лет

25 лет Контроль

72%

В

С

|о 1 Р2Из| 32%

0%

27%

♦1%

31 П2 ИЗ СШ

35%

О

65%

О

33%

01

—67% Р2[

50%

Ш1 пгпз

в%

35%

1%

21%

28%

96%

4% 13% 28%

42%

45%

28%

72%

14%

86%

23%

8%

63%

41%

22%

44%

56% 86%

14%

86%

29%

4%

3%

47%

4%

53%

36%

63%

Рис 2. Ценотический состав растительности глины келловея и ненарушенной серой лесной почвы

Примечание: смотри условные обозначения к рисунку 1

Участие мохообразных в сложении фигоценозов носит ярко индикационный характер. По данным таблицы 2 видно, что увеличение видового разнообразия мхов и степень их сходимости с зональными участками зависит от

возраста отвала и характера породы, слагающей его (мохообразные изучались впервые в Курской области).

2.Состав мохообразных (ВпорИу^а) на отвалах четвертичного суглинка, глины келловея и на зональной почве

Возраст отвалов Глина келловея Лессовидный суглинок Зональная почва

5 лет 15 лет 25 лет Ceratodon purpureus Ceraiodon purpureus Polytrichum piliferum Ceratodon purpureus Polytrichum piliferum Polytrichum juniperinum Brachythecium campestre Ceratodon purpureus Polytrichum piliferum Ceratodon purpureus Polytrichum piliferum Barbula unguiculata Ceratodon purpureus Barbvla unguculata Brvum petiseum Brachvthecium campestre Barbula unguiculata Biyum petiseum Brachythecium campestre Brachythecium albacas Polytrichum commune

Brachythecium albacas

Примечание: подчеркнуты виды принимающие участие в сложены фитоценозов зональных почв.

Формирование зонального состава альгоценозов идет значительно активнее чем стабилизация фитоценоза. На лёссовидном суглинке этот процесс заключается в изменении соотношения основных отделов водорослей: Cyanophyta, Clorophyta, Xanphophyta, Diatomea. На глине келловея процесс идет от альгогрушшровки, включающей только сине-зеленые водоросли, к зональному водорослевому ценозу.

Для индикации почвенных условий большое значение могут иметь бази-диомицеты (Basidiomycetes). Обильное распространение представителей микоризных видов родов: Boletus, Suillus, Russulo, Lactorius, Almanita - на 25-летних отвалах из глины келловея, свидетельствует о дефиците азота и фосфора в корнеобигаемом слое древесных растений (Е. Г. Мирчинк, 1976).

Формирование стабильного микробоценоза на лессовидном суглинке и глине келловея идет различными путями. На лёссе - от "взрывного" микробного сообщества с количеством микроорганизмов (601 тыс./г. почвогрунта) превышающем их уровень в зональной почве (491 тыс/г почвы) и с преобладанием неспорообразующих бактерий и грибов, к микробоценозу, где велика доля бацилл и актиномицетов, использующих минеральный азот (табл. 3).

З.Количсство микроорганизмов в лёссовидном суглинке и глине келловея (в слое 0-5 см)

Порода Возраст, МПА КАА Среда Чапека

лет тыс./ г. породы

Лёссовидный 5 360 71 170

суглинок 15 302 143 127

25 249 289 89

Глина 5 95 8 37

келловея 15 156 51 59

25 231 196 182

На глине келловея имеет место постепенное увеличение всех групп сапрофитной микрофлоры с их одновременной перестройкой к состоянию, характерному для зональной почвы.

Целлюлозоразлагающая и нитрификационная способность, а также интенсивность дыхания почвогрунтов, имеют четкую сопряженность друг с другом и с количеством азота и фосфора в них.

Та же закономерность наблюдается в изменении характера каталазной активности, поскольку основным продуцентом каталазы являются сапрофитные аэробы. Состояние пероксидазы и полифенолоксидазы свидетельствует о накоплении органического вещества (табл. 4).

4. Ферментативная активность почвогрунтов отвалов (0-5 см)

Порода, Каталаза, Пероксидаза Полифенол-

возраст г/см3 мин оксвдаза Кг=Апол

мг ПГ на 100 г / 30 мин. Апер

Лёссовид. суглинок

5 лет 2,32 19,81 8,27 0,42

15 лет 1,8 18,14 8,01 0,44

25 лет 5,3 12,10 2,11 0,17

Глина келловея

5 лет 0,52 22,01 10,45 0,47

15 лет 0,32 22,1 10,25 0,46

25 лет 3,3 22,84 7,56 0,33

Зональная

почва 5,4 18,25 3,05 0,17

Отмечается, что этот процесс идет гораздо активнее на начальных этапах и значительно интенсивнее на глине келловея.

На формирование фауны беспозвоночных определяющее значение оказывает вид породы и ее возраст (табл. 5). Наиболее объективным показателем 12

5.Распределение почвенных животных в грунтах отвалов, на м2

Порода, Гори- Отряд, Осенняя Весенняя Средний Общий

возраст зонт Класс вид выборка, выборка, вес, вес то

шт. шт. г отвалу, г

Зональная 0-20 ОНоосЬаеЫ ЬитЬпсия 40 42 52,6 97,48

почва

Ь. тЪеПиэ 45 40 43,5

Мупарос1а В1р1орос1а 5 1

СЫ1орос1а 4 8 0,48

¡ПБейа 10 12

20-40 ОН§осЬае1а Ь. гиЬеПиэ 8 3 0,36

¡пзейа 5 1,28

Лёссов. 0-20 0%ос1те1а Ь. гиЬеПиэ 20 12

суглинок Ь. 1еггсзЬчз б 3 3,4 20,64

25 лет Мупарос1а СЫ1орос1а 3 1 16,24

Гшсйа 8 5 1,4

20^40 — — - - - -

15 лет 0-20 0%осЬае1а Ь. 1еггез1пз 8 8 5,64 6,92

Ь. гиЬеПиБ 8 3 0,4

Ьгвейа 20 17 1,32

5 лет 0-20 0%осЬае1а Ь. гиЬеПиэ 4 2 0,64 3,32

Ь. (еггезШэ 4 - 2,16

1пзес1а 12 4 0,52

Глина 0-20 0%осЬае1а Ь. 1егте5й13 4 3 2,48 4,76

келловея Ь. гиЬеИиэ 3 12 3,28

25 лет Мупароск О1р1оро<1а - 4

Chilopoda - 4 0,50

Гпзейа 12 - 0,44

20-40 — — - - -

15 лет 0-20 ОИдосЬаеШ Ь. шЬеЦив 4 5 0,28 0,72

Ьгве^а 12 8 0,44 -

5 лет 1шес1а - 3 - -

экологического состояния являются дождевые черви, так как они имеют важное значение для улучшения скважности почвы и обогащения ее 1умусом за счет экскрементов, обладающих повышенной водопрочностью. Увеличение плодородия почвогрунтов во многом зависит от их численности.

Глава IV. ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ В ТЕХНОГЕННЫХ

ЛАНДШАФТАХ, КАК ПРИЧИНА И СЛЕДСТВИЕ РАЗВИТИЯ БИОПЕДОЦЕНОЗА ЭТИХ ТЕРРИТОРИЙ

В результате развития фитоценоза, деятельности биоты и процессов выветривания к 25 годам на отвалах четвертичного лёсса формируется укоро-

ченный профиль зональной почвы с удовлетворительными агрохимическими показателями (табл. 6). По нашим данным на начальных этапах про цесс почвообразования здесь идет быстрыми темпами 0,16 % в год. Количество щёлочногидролизуемого азота в верхнем горизонте составляет 53,2 мг/кг, подвижного фосфора 9,0 мг/100 г, ЕКО - 21,8 мг-экв/ 100 г из них 13,5 мг-экв/100 г составляет Са^ и 13,5 мг-экв/100 г - Мд""". Степень насыщенности основаниями - 98,3 %.

На глине келловея в первые 5 лет гумусонакопление отсутствует, небольшое увеличение количества азота в верхнем (0-3 см) слое идет за счет незначительного органического опада. Увеличение подвижного фосфора невелико (2,9-4,25 мг-экв/100 г). Показатели емкости катионного обмена и степени насыщенности основаниями - высоки, за счет присутствия в глине келловея большого количества обменных кальция и магния.

Темпы гумусонакопления за 10 лет, от 5 до 15 лет, на четвертичном суглинке составляют 0,13 % в год а за следующие 10 лет - 0,12 % в год, что указывает на замедление процессов гумусонакопления с возрастом. Количество гумуса к 25 годам достигает 3,64%, что практически равно этому показателю в зональной почве (3,7 %) в слое 0-2 см. В целом почвообразовательный процесс на лёссовидном суглинке идет по зональному типу и имеет дерново-карбонатный характер.

Почвообразование на 5 летних отвалах глины келловея мало заметно. Комковато-пористая структура верхнего (0-10 см) горизонта в большей степени является результатом процесса выветривания в сочетании с большой долей Са^ - 28 мг-экв/100 г в поглощающем комплексе.

Глина келловея имеют более тяжелый гранулометрический состав, большее количество, по сравнению с лёссовидным суглинком Са^, что приводит к более интенсивной фиксации органического вещества, вступающего в биологический круговорот. Способность к набуханию глин келловея, за счет высокого содержания калия (48,8-55,6 мг/100 субстрата) и глинистых фракций (68%), аналогично постоянному присутствию капиллярной каймы при луговом процессе. Единственное отличие - прерывистость в увлажнении в летний период на 1-2 месяца. Отмечается, что содержание органического вещества в луговых почвах также высокое - 4-7%. Увеличение количества подвижных форм фосфора и калия в профиле 25 летних отвалов связано с мобилизацией их Са"4", а перераспределение по профилю - с выносом растительностью.

Почвообразование идет по типу лугового процесса: периодическое (сезонное), избыточное увлажнение сопровождается аэробными условиями в верхней части и преобразованием в нижней части профиля, по типу пойменных (луговых), насыщенных основаниями почв.

Порода, Гори- Глубина, pHkcl Орган. Ыщ/г р2о5 к2о IT Ca""" Mg^ Scn Mg EKO v,

возраст зонт см в-во, % мг/кг мг-экв /100 г почвогрунта %

Лёсс. Не 0-3 7.10 1.18 53.2 9.00 8.40 0.35 13.50 5.70 19.25 21.15 98.3

суглинок: Pi 3-20 7.15 0.78 39.2 9.35 8.35 0.35 13.50 5.75 19.25 21.15 98.3

5 лет

Pi 20-47 7.20 0.47 19.6 8.80 7.90 0.35 12.25 5.75 18.00 21.15 98.26

?г 47-60 7.20 0.47 19.6 8.35 7.60 0.35 12.50 5.50 18.00 20.15 98.26

15 лет Не 0-3 7.00 2.44 78.4 26.00 19.10 0.54 13.85 4.64 18.50 20.14 96.07

Pi 3-25 7.10 1.32 33.6 16.00 14.00 0.48 12.50 5.50 18.00 20.08 94.23

Р. 25-61 7.20 0.38 22.4 10.20 11.70 0.35 12.50 5.50 18.00 20.15 98.26

Рз 61-75 7.20 0.25 22.4 11.30 11.20 0.35 12.50 5.50 18.00 20.17 98.26

25 лет Hak 0-9 6.90 3.64 173.6 35.10 37.70 0.91 15.5 2.00 17.50 20.51 95.56

Hpk 9-20 7.10 2.50 92.6 22.70 20.55 0.56 13.75 1.50 15.25 20.40 97.25

Р№ 20-34 7.25 0.56 28.0 12.50 7.30 0.52 14.25 1.50 15.75 20.36 97.44

Ph® 34-75 7.35 0.35 25.2 13.90 7.35 0.42 13.5 1.50 15.00 20.26 97.92

P 75-90 7.35 0.28 19.6 17.55 6.80 0.42 12.0 1.50 15.00 20.19 98.46

Глина Pi 0-10 6.20 1.94 47.6 4.25 29.55 2.10 28.25 2.75 31.00 40.90 94.86

келловея: 5 лет P2 10-30 5.90 2.52 33.6 3.20 16.80 2.62 28.0 2.75 30.75 42.22 93.79

Рз 30-80 6.50 1.96 22.4 2.90 15.40 0.52 31.38 6.87 38.25 40.52 98.71

15 лет Р. 0-4 5.65 4.59 134.4 6.25 37.40 3.85 10.62 1.76 12.38 38.45 89.98

P2 4-20 6.10 2.23 47.6 3.20 35.90 1.22 10.88 2.37 13.25 40.22 96.96

Рз 20-80 6.50 2.47 22.4 3.20 15.40 0.72 31.38 6.87 38.25 40.52 98.23

25 лет ЦрсВД) 0-2 6.90 6.80 235.2 25.40 55.60 1.17 28.25 3.50 31.75 40.65 97.12

Hpdk(gl) 2-6 6.90 4.80 92.4 19.90 55.00 0.88 26.0 2.00 28.00 33.64 97.26

Phk(gl) 6-24 6.95 1.85 28.0 27.10 53.60 0.66 38.0 3.25 41.25 46.42 98.57

Pk(h)gl 24-70 7.00 1.53 25.2 29.10 49.20 0.61 35.5 6.50 42.00 46.49 98.68

Рад 70-100 7.00 1.52 29.6 29.3 48.8 0.84 32.5 11.75 44.25 47.72 98.23

Глава IV. ИНДИКАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА БИОПЕДОЦЕНОЗОВ ТЕХНОГЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ И ПРГНОЗИРОВАНИЕ ИХ СТАБИЛИЗАЦИИ

Исследовав ряд характеристик биопедоценоза, каждая из которых может служить индикатором его состояния, мы совместно с кандидатом технических наук С. Н. Волковой, сочли возможным предложить интегральный показатель определения экологического состояния биопедоценоза:

кэс = ^

КЭС - коэффициент экологического состояния системы

х; - показатель состояния каждого отдельного компонента биопедоценоза, выраженный в процентах к зональному показателю;

1 - индекс показателя, используемого в описании (1=1,2,... п)

п

п - количество показателей Пх, = XI х2...хп.

Используя метод экспоненциального сглаживания по Брауну, спрогнозировано время стабилизации каждого компонента биопедоценоза. Быстрее всего заканчивается формирование водорослевых ценозов: 19 лет - на лёссе и 32 года - на глине келловея. Формирование растительной биомассы по прогнозу заканчивается к 45 годам - на лёссе, к 54 - на глине келловея. Видовой состав на лёссовидном суглинке может стабилизироваться к 55 годам, на келловей-ской глине - к 90 году. Напряженность микробиологических процессов достигает зонального уровня на лёссе в 25-29 лет, на глине - в 36-60 лет. Для стабилизации видового состава мхов на лёссе потребуется 30 лет, на глине - 70 лег. Максимальное количество времени требуется для восстановления фауны беспозвоночных: 107-110 лет - на лессе, 130 лет - на глине келловея. Тридца-тасантиметровый слой зональной почвы на лёссовидном суглинке сформируется к 155 годам (при существующих климатических и экологических условиях), на глине келловея определение затруднено.

ВЫВОДЫ

1. Добыча железной руды открытым способом только в условиях Курской области привела к изъятию из землепользования Железногорского района около 15 тыс. га плодородных почв, что приводит к образованию техногенного ландшафта и оказывает влияние на продуктивность как естественных био-педоценозов, так и агропедоценозов снижая производство сельскохозяйственной продукции и значительно влияя на окружающую природную среду. 16

2.Антрогогенное воздействие приводит к тому, что естественные ландшафты заменяются техногенными территориями, которые представлены отвалами вскрышных пород и являются неустойчивыми образованьями. Выяснено, что в течении 25 лет биопедоценозы на этих территориях по своему экологическому состоянию не достигают климаксного состояния и уровня естественных биопедоценозов. По нашим расчетам на лессовидном суглинке этот процесс будет завершен к 107-110 году, а на глине келловея - к 130 году с момента отсыпки в отвалы.

3.Установлено, что техногенные территории характеризуются не замкнутостью энергетических потоков. Скорость их стабилизации и продуктивности зависит от характера вскрышных пород: на лёссовидном суглинке это 70 лет, на глине келловея -140 лет.

4.Определено, что процессы естественного зарастания отвалов из лёссовидного суглинка и глины келловея подчиняются общим закономерностям, характерным для нарушенных территории, связанным со сменой сингенетических сукцессий рудерального типа растительности, к зональному злаково-разнотравному или злаково-бобовому, что во многом определяется физическими и гидротермическими свойствами пород.

5.Выявлено, что на лессовидном суглике за 25 летний период растительное сообщество изменяется от полидоминантных бурьянистых группировок до климаксного злаково-бобового сообщества с 100% проективным покрытием, а на глине келловея от монодоминантной мать-и-мачеховой группировки до сомкнуто-группового сообщества с доминированием донников и неравномерным проективным покрытием от 10 до 100%.

6.Нараду со сменой растительных сообществ наблюдаются изменения в соотношении основных групп сапрофитной микрофлоры (бактерий, актино-мицетов и бацилл, микромицег) и беспозвоночных к соотношению их в зональной почве.

7.Процессы гумификации и минерализации в почвогрунтах зависят от характера почвообразующей породы и ее возраста.

8.Изучение всех основных компонентов биопедоценозов, в условиях техногенных ландшафтов, позволило смоделировать интегральный показатель оценки их экологического состояния, а также спрогнозировать время стабилизации каждого компонента биопедоценоза.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1.Регулировать (по годам) зарастание отвалов посевами донников и использовать их для целей промышленного медосбора. Проводить упорядоченное скашивание отдельных участков донниковых фитоценозов с целью продления периода цветения.

2.В связи с произрастанием на отвалах большого количества растений пальцекоренника кровавого, майника двулистного, принадлежащих к семейству орхидных, а также валерианы лекарственной и др., закрепить за отдельными участками отвалов статус охраняемых территорий или памятников природы с целью сохранения флористического богатства подзоны северной лесостепи.

3.Организовать проведение экскурсий студентов и школьников с целью показа воздействия человека на окружающую среду и техногенное изменение территорий при открытой разработке полезных ископаемых, а также с целью изучения процессов естественного зарастания измененных территорий и сук-цессионных изменений фитоценозов.

4.Химический состав земляники и грибов собираемых местным населением на отвалах таков, что их употребление не желательно для взрослых и категорически запрещено детям.

5.0пределять экологическое состояние техногенных территорий по характеру развития биопедоценоза, используя предложенную форму расчета КЭС.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1.Использование техногенных ландшафтов в сохранении видового богатства северной лесостепи // Экология и образование. -Курск, 1994. С. 17-18.

2.Проблема решения региональных экологических задач в системе "Человек-хозяйство-природа" // Современные экологические проблемы провинции. Россия. Международный экологический форум. -Курск, 1995. -С. 57-58.

3.Формирование биоценоза на техногенных ландшафтах КМА // Биологическая рекультивация нарушенных земель. -Екатеринбург, 1996. -С. 30-31.

4.Геохимия техногенеза железорудных предприятий КМА и рекультивированные земли // Биологическая рекультивация нарушенных земель. -Екатеринбург, 1996. -С. 104-106. (в соавторстве).

5.0собенности почвообразования в техногенных ландшафтах КМА // Земельные ресурсы Украины: рекультивация, рациональное использование и охрана. - Днепропетровск, 1996. -С. 94-95 (в соавторстве).

6.Состояние биопедоценозов в условиях техногенного ландшафта Михайловского карьера КМА. -Курск. Изд-во КГСХА, 1997 (в печати).

7.Интегральный показатель экологического состояния систем. -Курск. Изд-во КГСХА, 1997 (в печати).

18