Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФЛОРЫ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ ОТВАЛОВ И КАРЬЕРОВ ОТКРЫТЫХ УГОЛЬНЫХ РАЗРАБОТОК (НА ПРИМЕРЕ ЧЕЛЯБИНСКОГО БУРОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА)

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФЛОРЫ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ ОТВАЛОВ И КАРЬЕРОВ ОТКРЫТЫХ УГОЛЬНЫХ РАЗРАБОТОК (НА ПРИМЕРЕ ЧЕЛЯБИНСКОГО БУРОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА)"



На правах рукописи УДК 574:581.9: 502,654

Глазырина Маргарита Александровна

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФЛОРЫ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ ОТВАЛОВ И КАРЬЕРОВ ОТКРЫТЫХ УГОЛЬНЫХ РАЗРАБОТОК (НА ПРИМЕРЕ ЧЕЛЯБИНСКОГО БУРОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА)

03.00.16-экология, 03.00.05-ботаника

у у

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Екатеринбург 2002

Pwora шпопнсна в Уральском государственном университете им. А. М. Горького

1 1лучпы(1 руководи г ель.

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

ЧНБРИК ТАМАРА СЕМГ НОВ НА

Официальные огиюненк

локтор биологических на> к. профессор МАХНЕВ АФРИКАН КУЗЬМИЧ

локтор биологических наук, профессор КУЛАГИН АЛЕКСГП ЮРЬЕВИЧ

Исдушая организации:

I (ен тральный сибирский ботанический сал LO !'ЛИ

-'10 " <J.Z<tC£Ü)il& 2002 года в j 6 на

ira Д 004.0С; 11 в .iiicnmTe экологии растсш ni и

Защита диссертации состоится " заседании Диссертационного сонета Д 004Л1С~ Ч в', l пел rry re экологии растсш i животных У (О РЛ>' -¡л а.трс-1 ■ '"МН i Г:х» г бург, у;< S Марта, 202.

С диссе|; -ч ш. . гке Института экологии растений и

ЖИВОТНЫХ Vf.' ---■■ "*"

' . втореферат раюслзн НЛАЬ^ 2002 г. Ученый секретарь Диссертационного совета,

/X 1

кандидат биологических наук Л / Нифонтова М. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Добыча полезных ископаемых открытым способом в России ведется давно, при этом возникают огромные по площади нарушения земельных угодий, образуются карьерно-отвальные комплексы различного типа, на которых полностью уничтожаются растительный и почвенный покровы.

В связи с этим, большое значение имеет изучение процесса восстановления разнообразия флоры и растительности данных нарушенных территорий, формирования фитоценозов, а также создание научно обоснованной системы мероприятий по сохранению и поддержанию биологического разнообразия на нарушенных промышленностью землях при их самозарастании и биологической рекультивации.

Цель и задачи исследования. Цель нашего исследования заключалась в определении современного состояния флоры и растительности нарушенных территорий в Челябинском угольном бассейне (ЧУБ) и оценке их способности к самовосстановлению в процессе естественных сукцессий и после биологической рекультивации, проведенной в Кор-кинском угольном карьере. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

1. Выявить видовой состав и провести сравнительный анализ локальных флор отвалов и карьеров открытых угольных разработок по систематической и биоэкологической структурам, лать характеристику их динамики.

2. Изучить закономерности формирования фитоценозов в процессе самозарастания нарушенных территорий и трансформации созданных экспериментальных культурфнтоценозов.

3. Дать характеристику и провести анализ состояния интродуциро-ванных иенолопуляций многолетних трав, используемых в целях биологической рекультивации - Onobrychis arenaria, Medicago media, ßromop-sis inennis.

4. Дать характеристику и провести анализ состояния интродуциро-ванной иенопопуляции скально-горно-степного субэндемнка Урала Dianthus acicularis.

5. Дать оценку экспериментальных посадок.

Научная новизна и теоретическая значимость работы. Получены новые, оригинальные данные о видовом составе, структуре и направленности формирования флоры и растительности территорий, нарушенных при добыче угля открытым способом, о закономерностях формирования фитоценозов в процессе самозарастани гнару ценных-территорий-

НАУЧг-!/(! -ОТЕКА

«¡■f. К. A. I

и«в.№ Я-З&пла

и трансформации созданных экспериментальных культурфитоценозов, о жизнеспособности интродуцированных ценопогтуляций многолетних трав, используемых в целях биологической рекультивации - Onobrychis arenaria, Medicago media, Bromopsis inermis, а также интродуиированной ценопопуляции скально-горно-степного субэндемика Dianthus acicularis.

Научные результаты имеют теоретическое значение в качестве экологической основы биологической рекультивации отвалов и карьеров открытых угольных разработок. Полученные результаты позволяют ближе подойти к решению научной проблемы комплексной экопого-биологической оценки адаптации местных и интродуцированных видов высших сосудистых растений и их сообществ как части фундаментальной проблемы восстановления автотрофного блока техногенных экосистем, Полученные данные могут быть использованы для сравнительной оценки флористического разнообразия на локальном и региональном уровнях, а также в обобщающих трудах по флоре Южного Урала.

Практическая значимость. Материалы диссертации содержат оценку современного состояния растительного покрова на нарушенных землях при добыче угля открытым способом в ЧУБ, а также оценку перспективности использования некоторых испытанных видов многолетних трав, деревьев и кустарников для целей биологической рекультивации не только Коркинского карьера, а и других нарушенных земель ЧУБ. Выявлено ряд редких и исчезающих видов, которые могут быть интродуиированы в условиях нарушенных промышленностью земель.

Сведения о разнообразии и динамике растительности отвалов и карьеров, а также собранный научный гербарий используются в учебной и научной работе кафедры экологии УрГУ.

Работа выполнялась как раздел комплексных исследований по темам: "Разработка способов биологической рекультивации на нарушенных промышленностью землях"; "Исследование состава, структуры и биоразнообразия фитоценозов техногенных ландшафтов (на примере Урала)" Проблемной лаборатории антропогенной динамики экосистем и биологической рекультивации при кафедре экологии УрГУ в рамках программы НИР, а также программы РФФИ "Урал" грант Ха 01-0496426. Результаты этих исследований вошли в отчеты лаборатории.

Положения, выносимые на защиту;

1. Флора нарушенных земель открытых угольных разработок ЧУБ характеризуется более низким, в сравнении с естественной флорой, видовым разнообразием.

2. На нарушенных землях открытых угольных разработок ЧУБ, сложенных породами малопригодными и непригодными для биологической рекультивации, формируется преимущественно многолетняя, мезофит-

нал, анемохорная, сорно-рудеральная, травянистая растительность. На части территорий наблюдается формирование лесных фитоценозов паркового либо аллейного типа,

3. Особенности зарастания нарушенных земель по тому или иному типу определяются эдафотопом и условиями заноса семян.

4. Перспективные виды для биологической рекультивации Кор пинского угольного карьера Bromopsis inermis, Otiobrychis arenaria и Medi-cago media способны натурализоваться на малопригодных с примесью потенциально плодородных породах. Посевы данных видов сохраняются более 20 лет в удовлетворительном состоянии.

5. Умелое моделирование экотопов в карьере, посев многолетних трав, посадка деревьев и кустарников подходящего ассортимента способствуют увеличению видового и фитоценотического разнообразия растительного покрова карьера и ускоряют его формирование на j 5—20 лет.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: 1-ом Всероссийском научном молодежном симпозиуме "Безопасность биосферы-97" (Екатеринбург, 1997); научной конференции "Б. П. Колесников - выдающийся отечественный лесовед и эколог. К 90-летию со дня рождения" (Екатеринбург, 1999); конференции молодых ученых "Биосфера и человечество", посвященной памяти Н. В. Тимофеева-Ресовского (Екатеринбург, 2000); Международном совещании "Проблемы охраны растительного мира Сибири" (Новосибирск, 2001); Международном совещании "Биологическая рекультивация нарушенных земель" (Екатеринбург, 2002).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них 4 статьи и 15 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения. 4 глав, выводов, приложений. Работа изложена на ИН страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц и í,3 рисунков, а также приложений объемом страниц. Библиография включает 2Jtß наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В данной главе приводится обзор литературы, посвященной изучению общих и частных вопросов флоры и растительности, процессов самозарастания нарушенных территорий, а также ценопопуляиий куль-турфитоценозов, созданных при биологической рекультивации.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1. Общая характеристики природных условий Челябинского

буроугольного бассейна н Корки некого угленосного района ЧУБ находится в пределах лесостепной зоны и расположен на границе восточного склона Южного Урала и Зауральской равнины (Зауральский пенеплен). Площадь бассейна 1300 км3. Открытые разработки сосредоточены в центральной и южной части бассейна. В главе приводится характеристика природно-климатических условий, почвенного и растительного покровов ЧУБ. Климат района резко континентальный, умеренно холодный. Годовое количество осадков очень неустойчиво (250-400 мм в год). Даны общая и агрохимическая характеристики пород и грунтосмесей изученных объектов ЧУБ, разработана классификация пород по степени пригодности для биологической рекультивации, подавляющее большинство которых, согласно ГОСТу (ГОСТ 17.5.1.0386), отнесено к группам малопригодных и непригодных.

2.2. Краткая характеристика Коркннского и Батурннского

угольных карьеров Корки некий карьер представляет собой многоуступную чашевидную выемку размерами 3 х 2,2 км. Площадь его свыше 800 га, форма округлая, слегка вытянутая в широтном направлении, глубина его составляет более 500 м. Объем внутри карьер но го пространства достигает около 1 млрд. м"\ Поверхность карьера сложена преимущественно запесочен-нымн глинами, продуктами выветривания песчаников, аргиллитов и алевролитов.

Батуринский карьер представляет собой многоуступную выемку, вытянутую в направлении север-юг. Максимальная глубина 181 м. Поверхность сложена разнообразным сочетанием серых третичных глин, четвертичных суглинков, глин и песков, опок и опоковидных глин, аргиллитов и алевролитов, углистых аргиллитов и углистых алевролитов, конгломератов.

Для карьеров характерен сложный гидрологический режим. Стратиграфическое строение этих двух месторождений сходно. Промышленная угленосность связана с нижнемезозойскими отложениями.

2.3. Краткая характеристика Коркннских н Красносельского

железнодорожных отвалов Общая шющадь Коркинских отвалов составляет 1160 га, максимальная высота - 115 м. Склоны отвалов почти по всему периметру крутые. Вывоз пород на отвалы ведется до настоящего времени.

Верхние уступы отвалов образованы грунтосмесями с самых глубинных слоев. Преобладающий породный состав на отвале №1 - аргил-

лнты, алевролиты, песчаники и запесочекные глины; на отвале №2, аргиллиты, алевролиты, углистые аргиллиты и сланцы.

Работы на Красносельском отвале были прекращены в 1972 г. Отвальные площади представляют собой относительно выровненные пространства с колебанием рельефа на поверхности в виде гряд в 1-2 м высотой. Площадь отвала 236 га, максимальная высота 37 м. Преобладающий породный состав на Красносельском отвале - аргиллиты, песчаники и глины в смеси с четвертичными суглинками,

ГЛАВА 3, МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА РАБОТЫ

Исследования основаны на долголетних наблюдениях над объектами (1988-2Q0Ö гг.) и сопоставлены с ранее полученными данными, опубликованными другими сотрудниками лаборатории. Естественное зарастание изучалось на разновозрастных участках отвалов и карьеров. Обследование площадей проводилось детально-маршрутным методом. Выделено и описано более 250 ключевых участков по стандартной геоботанической методике с использованием рекомендаций А. А. Корча-тина (1964), В. М. Понятовсхой (1964). Встречаемость видов оценивалась методом Раункиера путем закладки серии площадок (от !0 до 50) округлой формы по 0,1 м2. Выделение стадий сингенеза производилось на основе схемы, предложенной А. Г. Вороновым и Л. Н. Таг,» о вой (1957), А. Г. Вороновым (1963, 1973) с уточнением Л. Я, Курочкиной и В. В, Вухрер (1987), На участках с выраженным древесным ярусом определялся видовой состав древесных, их количество, высота, диаметр ствола на уровне 1,3 м. Подсчитывалось количество подроста н измерялась его высота. Собрано более 600 листов гербария. Био- и экоморфо-логическая характеристика видов дана по литературным данным и с учетом личных наблюдений. Составлен флористический список. Название видов растений приводится по сводке С. К. Черепанова (1981). Порядок расположения семейств растений в списке соответствует системе Кронквиста - Л. А. Тахтаджяна. Составлены схемы формирования растительности.

В Корки не ком карьере проведены исследования культурфитоцено-зов на участках, расположенных на глубине 14 (I участок) и 64 м (П участок) от дневной поверхности (юго-западный и южный борт соответственно), заложенных сотрудниками лаборатории промышленной ботаники в 1979 г. Прослежена трансформация экспериментальных посевов с подробным ценопопуляционным анализом наиболее перспективных видов: Bromopsis inermis, Onobrychis arenaria и Medicago media с использованием общепринятых методов (Ценопопуляции ..., 1976-1988; Злобин, 1989). Изучение ценопопуляции Dianthus acicularis

проводилось с помощью ленточных трансект (шириной 50 см) по общепринятым геоботаническим методикам (Корчагин, 1964; Понятовская, 1964; Работнов, 1964). На 227 раункиеровских площадках (5=0,25 м2) было проведено картирование гвоздики. Составлена схема распространения данного вида. Для характеристики популяции использовались показатели соотношения возрастных групп и индекс плотности (число особей па 1 мг) (Горчаковский, Степанова, 1994).

Данные обработаны на ЭВМ с использованием пакета стандартных программ.

Определение качества семян проводилось в соответствии с ГОСТами (ГОСТ 12038-66, ГОСТ 12042-66, ГОСТ 24933.0-81- ГОСТ 24933.3-81) и статьями Л. И. Томиловой (1976) и Т. И. ПлаксиноЙ (1980).

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФЛОРЫ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ ОТВАЛОВ И КАРЬЕРОВ

ОТКРЫТЫХ УГОЛЬНЫХ РАЗРАБОТОК 4.1. Восстановление фиторазнообразия на нарушенных землях

открытых угольных разработок ЧУБ Флора открытых угольных разработок ЧУБ представлена следующими отделами высших растений: ВгуорЬуга, РгепсЗорЬуча, Сушпозрег-тпае, Aпgiospermae. Отдел ВгуорЪу1а представлен классом Вгуор51(1а, семействами: Ешо(1оп1асеае и Ро1у1псЬасеае, которые содержат по одному виду. Данный отдел в последующий анализ не включен. Отдел Р1егИорЬу1а включает в себя класс Еч1шеЮр51с1а, семейство Equtsetaceae. Отдел Сушпозрегшае представлен классом Соп^егорз1<1а, семейством Ртасеае. Отдел Ап§ю$рет\ае составляет 95,92 % флоры, что включает в себя 47 семейств, классу Ма§поНор51с1а принадлежат 37 семейств, 10- классу ЬШор$1(1а.

Уровень видового богатства сосудистых растений составил 368 видов, 194 рода (табл. 1). К группе, насчитывающей более 10-ти видов, принадлежит 8 основных семейств, на долю которых приходится 67,14 % от общего числа видов и 59,79 % от общего числа родов. Преобладание маловидовых семейств говорит о миграционном характере изучаемой флоры. Соотношение показателей систематического разнообразия (в/р:в/с:р/с) изучаемой флоры составило 1,8:7,1:4,0, что значительно отличает ее от соотношения показателей флоры Челябинской области (3,0:14,0:4,7) (по данным К. Г. Малютина, 1960). Коэффициент видовой насыщенности флоры отвалов и карьеров меньше в 1,7 раза, видовой насыщенности семейства в 2, родовой насыщенности семейства в 1,2 раза.

Таблица I

Систематическая структура парциальных флор отвалов и карьеров

открытых угольных разработок ЧУБ (по 10 ведущим семействам)

Семейства Коркинский Багури некий Коркннскне Красносель- Общий

карьер карьер отвалы 1-2 ский отвал

1 2 3 I 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

Asteraceae 49 28 19,76 43 25 22,99 50 26 20,92 41 22 22,28 66 31 17,94

Poaceae 33 ts 13,31 26 13 13,90 28 17 11,72 22 15 11,96 41 21 11,14

Rosacea« 13 б 5,24 5 2 2,67 20 11 4,60 14 8 7,61 29 12 7,88

Fabaceae 24 to 9,68 15 7 8,02 20 9 4,60 18 9 9,78 28 10 7,61

Brass icaceae 21 15 8,47 12 И 6,42 15 13 6,28 3 5 4,35 26 18 7,07

Caryophyllacea« 15 9 6,05 5 5 2.67 8 7 3,35 3 3 1,63 21 12 5,71

Chenopodiaceae 10 5 4,03 17 8 9,09 9 5 3,77 6 4 3,26 19 9 5,17

Polygonaccae 7 2 2,82 9 3 4,81 10 2 4,18 8 2 4.35 17 3 4,62

Apiaceae 6 6 2,42 5 5 2,67 5 5 2,09 5 5 2,72 9 9 2,45

Salicaceae 9 2 3,63 5 2 2,67 7 2 2,93 6 2 3,26 9 2 2,45

Общее число:

видов (в) 248 187 239 184 368

родов (р) 131 118 149 118 194

семейств (с) 43 34 44 38 49

Примечание: 1 - число вндо», 2 - число родов, 3 - % от общего числа видов.

При рассмотрении парциальных флор отдельных объектов установлено, что на отвалах сформировалась их однотипная систематическая структура (табл.1). Структура парциальной флоры Батуринского карьера отличается своеобразием. Здесь выходит на третье место по числу видов семейство СЬепоросНасеае, что связано с приуроченностью видов данного семейства к засоленным субстратам, что характерно для Батуринского карьера. Парциальная флора Коркинского карьера отличается большим видовым разнообразием семейства СагуорЬуНасеае, что связано с искусственным внедрением видов данного семейства в ходе проведения экспериментов по биологической рекультивации (1976-1982 гг.). Анализ динамики систематической структуры парциальных флор объектов за 13 лет показал, что с возрастом происходит увеличение доли участия и разнообразия видов древесных растений. Видовое разнообразие древесных увеличилось: в Коркинском карьере - в 8 раз, в Батурин-ском - в 4, на Коркинских отвалах - в 5,75, на Красносельском отвале -в 3,14 раза.

Индекс видового сходства Чекановского-Съеренсена (Песенко, 1982) парциальных флор изученных объектов изменяется от 0,60 до 0,81. Сравнение коэффициентов Чекановского-Съеренсена с полученными ранее (Чибрик, Елькин, 1991) показывает увеличение числа видов и величин коэффициентов на всех анализируемых техногенных объектах. Вероятно, происходит процесс конвергенции парциальных флор, сопровождающийся увеличением сходства.

Анализ биоэкологической структуры парциальных флор открытых угольных разработок ЧУБ показал, что на нарушенных землях формируется преимущественно многолетняя, мезофитная, анемохорная, сор-но-рудеральная, травянистая растительность. Многолетние растения составляют 244 вида (66,31 % от общего числа видов), мезофиты - 187 (50,81 %), анемохоры - 158 видов (42,94 %). Сред» разнообразия цено-тических групп, обусловленного большой пестротностью и разным возрастом местообитаний, преобладают сорно-рудеральные и луговые виды - 87 (23,64 %) и 69 видов (18,75 %) соответственно. Доля участия сорно-рудеральной растительности выше во флоре Батуринского карьера. Красносельский отвал занимает первые позиции по доле участия групп лесных, лесо-степных, степных и переувлажненных местообитаний.

Доля галофитов от обшего числа видов невелика — 8,97 %. Число их колеблется от II (Красносельский отвал) до 25 видов (БатуринскиЙ карьер). Необходимо отметить, что галофитов больше в сложении флор карьеров (в 1,3-2.3 раза), чем отвалов.

Для reoipaф ич ее ко го анализа использовали метод биогеографнче-ских координат, разработанный Б. А. Юрцевым (1968). В географической структуре ареалогических широтных групп преобладают бореаль-ная и полизональная 41,03 % (151 вид) и 27,99 % (103 вида) соответственно, лесостепная широтная группа занимает лишь третье место по числу видов (57 видов - 15,49 %). Доля борсальных видов выше в Кор-кинском карьере, полизональных - в Батуринском, лесостепных и неморальных - на Красносельском отвале, а степных - на Коркинских отвалах 1 -2. Среди ареалогических долготных групп существенно выделяется евразиатская группа 47,55 % (175 видов), значительно отстают от нее европейская, циркумполярная и плюри ре тональная группы - 63 вида (17,12 %), 50 (13,59 %) и 39 (10,60 %) соответственно.

4.2. Динамика фитопенозов, формирующихся на нарушенных землях открытых угольных разработок ЧУБ

Схема формирования фитоценозов на изученных объектах составлена по их фактическому состоянию с точной фиксацией их возраста rio маркшейдерским данным.

Коркинские отвалы. При благоприятных условиях заноса семян в течение 1-2 лет формируются фитоиенозы однолетников с проективным покрытием (п.п.) до 80—100 %. На стадии сложной растительной группировки в ряде сообществ наблюдаются групповые заросли ив, единично береза и осина. С возрастом фитоценозов при наличии источника семян внедрение деревьев и кустарников продолжается, а их эдифика-торная роль усаливается. На сильно переувлажненных участках с заг

стойкой водой или у подножия отвалов на выходе фунтовых вод, первоначально формируются заросли тростника высотой до 2 м. По мере высыхания подобных участков заросли тростника сменяются разно-травно-вейниково-тростииковыми, рази отрав но-тр остни ко во-ве й я и ко-выми, разнотравно-вейниково-критезоновыми и вейниковыми сложными растительными ¡руппировками и фитоценозами. Эта последовательность может нарушаться образованием злаково-разнотравных растительных группировок, находящихся на разной стадии формирования.

По флористическому составу и структуре наиболее близкими к близлежащим зональным фитоценозам являются 20-25-летние разно-травно-мятликовые фитоценозы, которые формируются на потенциально плодородных породах. На участках этого возраста, сложенных породами малопригодными для биологической рекультивации удерживаются вейниковые фитоценозы часто с обедненным видовым составом, с ясно выраженным доминированием СаЬта^озт ер1§еюз> порой по типу одновидовых зарослей. На части территорий наблюдается формирование лесных фитоценозов паркового типа.

Красносельский отвал. Для отвала характерны три направления зарастания: 1-е — травянистые разногравно-злаково-вейниковые сложные группировки и фитоценозы; 2-е — травянистые разнотравно-злаково-вейниковые сложные группировки и фитоиенозы с единичными деревьями и кустарниками; 3-е - лесные фитоценозы с разнотравно-злаково-вейниковым травянистым ярусом. Особенности зарастания по тому или иному направлению определяются эдафотопом и условиями заноса семян. На отвале идет регулярный выпас скота, поэтому в некоторых сообществах наблюдаются элементы пастбищной дигрессии.

Коркннский карьер. В условиях карьера мы имеем дело с многообразием экотопов и с разной степенью сформированное™ фитоценозов. Начальным этапом формирования растительности в карьере является кохиевая простая группировка. Далее возможно развитие сообщества в двух направлениях: 1-е - при постоянном довольно сильном увлажнении через ряд промежуточных этапов формируются тростниковые сообщества с высоким п.п.; 2-е - на верхних уступах карьера через стадию разнотравно-донниково-полынной сложной растительной группировки в зависимости от возраста и эдафических условий формируются: разнотравно-пырейные, разнотравно-мятликовые либо разнотравно-вейниковые фитоценозы. На части территорий наблюдается формирование лесных фитоценозов аллейного типа. Формирующиеся растительные сообщества довольно близки к зональным.

Батуринский карьер. На формирование растительности в карьере большой влияние оказывает засоленность субстратов. Отмечено два

основных направления формирования: 1-е - на сильнозасоленных субстратах, 2-е — на слабозасоленных и иезасоленных субстратах. На сильнозасоленных, умеренно увлажненных субстратах начальным этапом формирования является разнотравная простая группировка, на месте которой, через ряд промежуточных стадий формируется тростниковое растительное сообщество с высоким п.п. На сильнозасоленных субстратах с различной степенью увлажнения в зависимости от глубины и возраста, через промежуточные стадии, формируются разнотравные и разнотравно-злаковые растительные сообщества. На сухих слабозасоленных субстратах формируются разнотравно-вейниковые и вейниковые растительные сообщества, а на незасолекных субстратах верхних уступов - разнотравно-лырейные растительные сообщества, находящиеся на разных стадиях формирования.

4.3. Характеристика растительных сообществ нарушенных земель открытых угольных разработок ЧУБ

В данном разделе рассматривается формирование фитоценозов на железнодорожных отвалах Коркинского и Красносельского угольных карьеров, а также в Коркинском и Батуринском карьерах в процессе самозарастания. Фитоценозы, возникшие в процессе самозарастания, -результат сложного взаимодействия зонально-климатических и конкретных экологических условий. Флористический состав формирующихся сообществ в значительной степени определяется условиями местообитания, и в первую очередь эдафическими. Следует также подчеркнуть важную роль окружающей растительности в этом процессе, являющейся источником заноса диаспор.

Проведенные наблюдения позволили составить общую схему формирования растительности ЧУБ (рис. 1),

4.4, Характеристика экспериментальных посевов в Коркинском угольном карьере

20-летние наблюдения за экспериментальными посевами показали, что особый интерес представляют многолетние виды Bromopsis inermis, Onobrychis arenaría и Medicago media способные натурализоваться в условиях карьера. Неоднородность эколого-фитоиенотических условий (условия увлажнения, свойства грунтосмеси, преобладающие виды-дикоросы и др.), характеризующая экспериментальные участки, обусловливает различия в структуре ценопопуляций изучаемых видов. Пространственная структура ценопопуляций Bromopsis inermis, Onobrychis arenaria и Medicago media характеризуется вертикальной и горизонтальной неоднородностью, что проявляется в дифференциации ценобионтов по высоте и равномерном или неравномерном размещении особей в пределах культурфитоценозов. Так плотность ценобионтов

Группы Свойства

пригод- субстрата

ности

пород

Непри- Сильно кислый

годные и заселенный

Непри- Кислый н слабо-

годные с кислый, сильно-

примесью засоленный

малопри-

годны*

Малопри- Сляба- и средке-

годные с э антенный,

примесью

непригод- слабокислый.

ных

нейтральный

Малопри- Недосоленный.

годные с слабокислый.

примесью нейтральный

потен-

циально

плодо-

родных

ВОЗРАСТ УЧАСТКОВ, лет

1-5

6-10

И-20

21-30

30-40

50 и старше

Растительность отсутствует

Раэютрзвко-злаком-ючиееые растительные группировки (РЗК) _

| Зяаково-разнотрааные и разнотравные растительна группировки гапофигного тина | Единичиыедеревьяи кустарники (береза, осина, ива)

разногсравно-здаколо* корневые растительные группировки

Злаково-раэнотравные и разнотравные

растительные группировки галофитного типа __

| Разнотравно-злаковые и злаксао-разнотравные растительные сообщества

РЖ

Единичные деревь» и кустарники; лесные фигоценозы «деИиого и паркового типа (береза, осина, ива)

руплнровки

Разнотравно-злаковые растительные сообщества

Зяаково-разжпрааные растительные сообщества

Разнотрзпио-зпаково-вейннковые растительные сообщества (I, II, III, IV)

Единичные дереви и кустарники. Лесные фнтоиенозы аллейного и паркового типа (береза, осина, ива)

Рис. 1. Схема формирования растительности ЧУБ

Примечание: 1 - разкотравно-вейннковые, II ~ раэнотравно-овеян и цсво-вей» иков ые, Ш - разнотравно-м ятлихово-веПннковые, IV - разнотравно-критеэоно-вейниковые.

Вготор$1; тегппз больше на 1-ом участке. Наблюдается зависимость плотности от культуры-предшественника (табл.2). Со временем происходит уменьшение общего числа побегов независимо от участка. Преобладают вегетативные ценобнонты. Растения Вготор51з теггшэ, выращенные в условиях карьера, образуют доброкачественные семена: всхожесть семян изменяется в зависимости от участка и года сбора - от 74,5 до 83 % (1990 г.) и от 74 до 76 % (1994 г.).

Таблица 2

Плотность Bromopsis inermis по ценопопуляциям_

Учас- Культура пред- Число ценобионтов, шт. Число побегов, игг. на 1 м2

ток шественник lim среднее генеративные вегетативные

на 0,1 м1 на 0,1 м1 штук % штук %

Onobrychis 11-56 IM т ILA 222 59.0

1 arenaria 0-5 0 24,0 37 15.4 203 84.6

Bromopsis £Ы2 (4,4 28 19,4 Ü6 т

inermis 0-36 И, 5 11 9,6 104 90,4

И Bromopsis (МО hi 2 12 49 2Ы

inermis 0-20 4,1 3 7,3 38 92,7

Примечание: в числителе приведены данные за 1989 г., в знаменателе - 1993 г. Плотность ценобионтов Onobrvchis arenaria составила: на 1-ом участке 64 особи (659 побегов) на 8 м2, на И-ом -62 особи (1523 побега) на 8 мг. Це но по пул я цч л данного вида на 1-ом участке характеризуется дву-вершинным возрастным спектром, содержащим две модальные группы. Первая группа относится к молодой, вторая - к старой части ценопопу-л я ци и, что характерно для длительно живущих стержне корневых многолетников с регулярным семенным возобновлением. Основная масса растений находится в генеративном состоянии (78,1 %). Отклонение распределения по возрастному спектру в сторону увеличения числа генеративных особей, возможно, объясняется ежегодным скашиванием, что мешает естественному процессу семенного возобновления. Для ценопопуляции П-ого участка характерен левосторонний спектр, абсолютный максимум в нем приходится на молодые особи (62,3 %). На наш взгляд ценопопуляция Onobrychis arenaria на 1-ом участке является нормальной полночленной, на И-ом - инвазионной (Работнов, 1945). Растения Onobrychis arenaria, выращенные в условиях карьера, образуют доброкачественные семена: всхожесть семян изменяется в зависимости от участка и года сбора - от 85 до 93 % (1990 г.) к от 36,5 до 77 % (1994 г.). На II-ом участке пополнение банка семян происходит постоянно и не нарушается скашиванием,

Medicago media на 1-ом и И-ом участках представлена в двух ярусах и создает аспект. Растения неравномерно распределены по площади, при достаточно большой плотности — 268 особей (1558 побегов) на 8 м2.

Значительно преобладают вегетативные особи - 84 %, т.е. ценопопуля-иия является инвазионной. Возрастная и морфологическая структуры це но популяций Bromopsis inermis, Onobrychis arenaria и Medicago media в целом отражают удовлетворительную жизненность. Данные виды на малопригодных породах образуют долголетние культурфитоценозы, сохраняющиеся в удовлетворительном состоянии около 20 лет, проходят весь жизненный цикл развития. Признаки деградации культурфито-ценозов начинают проявляться не ранее 10-летнего возраста.

4.5, Структура интродуцированной иенопопуляцин Dianthus acicularis Fisch, ex Ledeb. в Коркинском угольном карьере

В данном разделе приведены результаты исследований ценопопуля-ции Dianthus acicularis в условиях Коркннского угольного карьера, которая имеет сложную пространственную, возрастную и морфологическую структуру. При изучении возрастной структуры ценопопуляции данного вида удалось выделить группы возрастных состояний: pl, j, im (прегенератнвные), gl, g2, g3, ss н g3v (генеративные вегетирующие). Прослежена динамика возрастной структуры. На наш взгляд иенопопу-ляиия Dianthus acicularis является нормальной полночленной. Проведенные наблюдения показали, что вид за 18-20 лет прошел жизненный цикл в условиях карьера. Все это дает основание предположить, что найдена новая экологическая ниша для данного вида.

4.6. Результаты инвентаризации посадок деревьев и кустарников в Коркннском угольном карьере

В результате проведенной инвентаризации через 20 лет после посадки, установлена сохранность 13 видов. Разработана и проведена 3-балльная оценка состояния деревьев и кустарников. Из испытанных видов для биологической рекультивации в лесостепной зоне рекомендуются яблоня сибирская, лох узколистный, облепиха крушиновидная, акация желтая, которые за 20-25 лет показали хорошую сохранность и рост, перешли к интенсивному вегетативному (облепиха) и семенному (другие виды) возобновлению. Удовлетворительные показатели при наличии семенного возобновления показали жимолость татарская, кизильник черноплодный, снежноягодник.

ВЫВОДЫ

1.Нарушенные территории открытыми разработками ЧУБ сложены преимущественно породами малопригодными и непригодными для биологической рекультивации по физическим и химическим свойствам. Темп и интенсивность их самозарастания лимитируется эдафическими условиями.

2.Флора нарушенных земель открытых угольных разработок ЧУБ характеризуется более низким, в сравнении с естественной флорой,

видовым разнообразием. Здесь формируется преимущественно многолетняя, мезофитная, анемохорная, сорно-рудеральная, травянистая растительность.

3.Для Коркинских отвалов характерно преобладание травянистого типа зарастания: разнотравно-злаковые простые, элементарные сложные и сложные группировки и фитоценозы. На части территорий наблюдается формирование лесных фитоценозов паркового типа, что связано с возможностью заноса семян древесных видов. Для ускорения процессов зарастания данных отвалов необходима биологическая рекультивация.

4.Для Красносельского отвала характерны три направления зарастания: 1-е - травянистые разнотравно-злаково-вейниковые сложные группировки и фитоценозы; 2-е - травянистые разнотравно-злаково-вейниковые сложные растительные группировки и фитоценозы с единичными деревьями и кустарниками; 3-е - лесные фитоценозы с разно-травно-злаково-вейниковым травянистым ярусом. Особенности зарастания по тому или иному направлению определяются эдафотопом и условиями заноса семян.

5.Формирован не растительности Коркннского угольного карьера идет по четырем основным направлениям, в результате которых формируются следующие растительные сообщества: разнотравно-мятлнковые, разнотравно-вейниковые, тростниковые и разнотравно-пырейные фитоценозы. На части территорий наблюдается формирование лесных фито-ценозов аллейного типа.

6.Формирование растительности Батуринского угольного карьера идет по четырем направлениям: образуются разнотравно-вейниковые, тростниковые, разнотравно-мятликовые растительные сообщества, на засоленных субстратах - простые разнотравные фуппировки.

7.Проведенные эксперименты позволили убедиться в возможности создания культурфитоценозов в угольном карьере при минимальных затратах на улучшение свойств субстрата и подобрать ассортимент многолетних трав, деревьев и кустарников для этих целей. Умелое моделирование экотопов в карьере, посев многолетних трав, посадка деревьев и кустарников подходящего ассортимента способствуют увеличению видового и фитоценотического разнообразия растительного покрова карьера и ускоряют его формирование на 15-20 лет.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Чибрик Т. С., Шмелева М. А. Некоторые закономерности формирования фитоценозов техногенных ландшафтов Урала !! Растения и промышленная среда. Екатеринбург: УрГУ,1992. С-156-200.

2. Глазырина М, А. Биологическая рекультивация Коркинского угольного разреза // Механизмы поддержания биологического разнообразия: Матер.конф., Екатеринбург: Изд-во "Екатеринбург", 1995 .С.41 -44.

3. Третьякова А. С., Глазырина М. А. Структура и жизнеспособность ценопопуляции костреца безостого (Bromopsis ¡nermis (Leys.) Hotub) в условиях Коркинского угольного разреза // Механизмы поддержания биологического разнообразия: Материалы конф., Екатеринбург: Изд-во "Екатеринбург", 1995. С. 159-161.

4. Чибрик Т. С., Глазырина М. А. Адаптационная роль семенного размножения при интродукции видов в неоэкотол // Проблемы репродуктивной биологии растений: Тезисы докладов симпозиума (Пермь, 46 июня 1996)/Перм. ун-т-Пермь, 1996.

5. Глазырина М. А., Пасынкова Е. В. Результаты интродукции эспарцета песчаного в условиях Коркинского угольного разреза // Материалы Первой Всероссийской конференции по ботаническому ресурсоведе-нню, Санкт-Петербург Ботанический институт им. В. J1, Комарова РАН (25-29 нояб. 1996 г.) СПб., 1996. С. 105.

6. Глазырина М. А. Структура ценопопуляции люцерны пестрогиб-рндной (Med i cago media Pers.) в экспериментальных посевах Коркинского угольного разреза И Биологическая рекультивация нарушенных земель: Материалы Междунар. совеш., Екатеринбург, 26-29 авг. 1996 г. Екатеринбург УрО РАН, 1997. С. 67-77.

7. Глазырина М. А., Пасынкова Е. В. Структура ценопопуляций эспарцета песчаного (Onobrychis arenaria (Kit.) DC) в экспериментальных посевах Коркинского угольного разреза // Экологические исследования на Урале. Екатеринбург: УрГУ, 1997. С. 75-91.

8. Глазырина М. А. Структура интродуиированной популяции гвоздики иглолистной (Dianthus acicularis Fisch, ex Ledeb.) в Коркинском угольном разрезе // Итоги интродукции и селекции травянистых растений на Урале. Екатеринбург. Изд-во Урал, ун-та, 2001 г. С. 120-134.

9. Глазырина М. А. Структура и динамика популяции гвоздики иглолистной (Dianthus acicularis Fisch, ex Ledeb.) в Коркинском угольном разрезе // Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий. Материалы Междунар. науч.конф. (Оренбург, 30-31 января, 2001г.) Оренбург. ИПК "Газпромпечагь", 2001. С. 72-74.

10. Глазырина М. А., Чибрик Т. С. Систематический анализ флоры отвалов и карьеров открытых угольных разработок Челябинского буро-угольного бассейна // Проблемы охраны растительного мира Сибири: Тез. докл. Междунар. совет. (Новосибирск, 21-24 августа 2001 г.). Новосибирск, 2001. С. 29-30.

Научное издание Глазырина Маргарита Александровна

«Особенности формирования флоры и растительности в усдовшч отвалов и карьеров открытых угольных разработок (И! примере Челябинского буроугольного бассейна)» Автореферат

Подписано в печать 04.11,2002, Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Уел печ.л.1. Тираж 100 Заказ № 303 Печать офсетная Отпечатано в ИПЦ «Изд-во УрГУ». г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 4.