Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Воздействие техногенных нарушений на динамику почвенно-растительного покрова Мещерской низменности

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Воздействие техногенных нарушений на динамику почвенно-растительного покрова Мещерской низменности"

На правах рукописи

Черногаев Виталий Геннадьевич

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕХНОГЕННЫХ НАРУШЕНИЙ НА ДИНАМИКУ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА МЕЩЕРСКОЙ НИЗМЕННОСТИ

Специальность 03.02.08 - Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Ь 2015

005558334

Москва 2014

005558334

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный университет имени С. А. Есенина»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Иванов Евгений Сергеевич

Официальные оппоненты: Евтюхин Владимир Федорович, доктор биологических наук, ООО «Мещерский научно-технический центр», ведущий научный сотрудник

Мирутенко Марина Вадимовна, кандидат географических наук, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет», кафедра биоэкологии, доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»

Защита состоится 17 февраля 2015 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха, ул. Юлиуса Фучика, д. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу http://www.rgazu.ru

Автореферат разослан «16» декабря 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

Сойнова О. JI.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Среди важнейших факторов антропогенного воздействия на состояние лесных биогеоценозов является прокладка различных систем инфраструктуры - дорожно-транспортные сети, газопроводные магистрали, ЛЭП и т.д. Проходя через особо охраняемые природные территории, они нарушают естественную структуру природных экосистем, вызывая долговременные изменения. Степень разработанности данной темы в РФ включает в себя, главным образом, исследования в промышленных районах страны, природная среда которых сильно пострадала от техногенного воздействия: Урал, Западная Сибирь, Кузбасс, Дальний Восток. При этом в недостаточном объеме проводились аналогичные исследования в Центральной России. Следует отметить, что техногенное нарушение почвенно-растительного покрова заключается не только в промышленном воздействии, но и относится в целом к хозяйственной деятельности человека, связанной со строительством и проведением объектов инфраструктуры. Поэтому проблема исследования техногенных ландшафтов с предельной степенью нарушенное™ всех факторов окружающей среды, становится актуальной для всей территории Центральной России, и в особенности, для особо охраняемых природных территорий.

Цель исследования заключалась в изучении воздействия техногенных нарушений на динамику начальной стадии развития почвенно-растительного покрова Радовицкой равнины Мещерской низменности.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установить основные морфологические признаки и гумусное состояние почв ненарушенных лесных сообществ Радовицкой равнины Мещерской низменности.

2. Определить доминирующие лесные сообщества изучаемой территории, их флористический состав и стадии экогенетического развития.

3. Установить морфологические изменения и динамику восстановления

гумусового слоя в техногенных почвах Радовицкой равнины, определить временные сроки и характер почвообразовательных процессов.

4. Проследить динамику видового состава растительного покрова техногенных фитоценозов.

Научная новизна. Впервые на территории Радовицкой равнины Рязанской Мещеры проведены комплексные исследования почв лесных экосистем, а также выявлены состояние и динамика почвенного покрова лесных ландшафтов, подвергшихся техногенному воздействию. Исследована динамика гумусового вещества в техногенной почве и сроки его восстановления. Изучены стадии восстановления техногенных фитоценозов, выявлена их видовая и фитоценотическая структура, а также проведен сравнительный анализ техногенных и фоновых фитоценозов и почв. Выявлено, что техногенно нарушенные биогеоценозы Радовицкой равнины в процессе естественного возобновления к 20-летнему возрасту приближаются по ряду показателей к ненарушенным лесным фитоценозам и дерново-подзолистым почвам Мещерской низменности.

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы: при решении проблем сельского и лесного хозяйства, организации заповедной и рекреационной деятельности, планировании хозяйственной деятельности, а также при решении вопросов экологического нормирования и оценки воздействия на окружающую среду. Выявление закономерностей протекания первичных сукцессионных процессов на нарушенных территориях Национального парка «Мещерский» позволит обосновать необходимость проведения технических и биологических мероприятий по их восстановлению и рекультивации.

Положения, выносимые на защиту:

1. В результате техногенного нарушения растительного и почвенного покрова на отвалах материнской породы происходит сукцессия первичного типа.

2. В ходе сукцессии параллельно с развитием растительности идет фор-

мирование почвенного профиля и органо-аккумулятивного горизонта.

3. За период в 20 лет происходит образование лесного биогеоценоза, близкого по своим свойствам к лесным зональным биогеоценозам Мещерской низменности.

Личный вклад автора. Использованные в диссертации материалы получены автором в результате исследований 2011-2013 гг., в ходе которых были собраны данные наблюдений по характеристике почвенно-растительного покрова, осуществлен анализ и обобщение полученных результатов, проведено их обсуждение, подготовлены публикации. Автором лично отобраны и подготовлены к лабораторным анализам почвенные пробы. Определение содержания органического углерода, химических свойств и гранулометрического состава почвенных образцов проводились в лаборатории Научно-технического центра «Мещерский» и в Рязанской агрохимической станции.

Апробация и внедрение работы. Результаты исследований обсуждались на научных форумах: «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Рязань, 2010, 2011, 2012), «Экология, эволюция и систематика животных» (Рязань, 2012), «Экологические системы и приборы» (Москва, 2012), «Проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2013), Научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава РГУ имени С.А.Есенина, секции «Аюуальные проблемы экологии и природопользования» (Рязань 2011, 2013, 2014). Основные теоретические положения исследования внедрены в учебный процесс на естественно-географическом факультете Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина по направлению подготовки «экология и природопользование».

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 8 работ, в том числе 3 в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 145 источников (в числе которых 11

иностранных) и приложения, включающего 34 таблицы и 5 рисунков. Общий объем работы -136 страниц.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность за методическую помощь и критические замечания научному руководителю д-ру с.-х. наук, проф. Е.С. Иванову. Автор благодарит за консультации д-ра с.-х. наук, проф. Ю.А. Мажайского, д-ра с.-х. наук, проф. Р.Н. Ушакова, канд. биол. наук А.П. Круглову, канд. биол. наук. Г.А. Кононову, а также руководство и сотрудников Национального парка «Мещерский» за предоставленные сведения и помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

В главе на основании источников литературы дается анализ степени изученности процессов почвообразования и восстановления фитоценозов в техногенных ландшафтах. Выявлены закономерности смены стадий растительных сообществ рязанской части Мещерской низменности.

ГЛАВ А 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Национальный парк «Мещерский» расположен в пределах разновозрастной озерно-аллювиальной равнины и представляет собой обширную низменную плоскую равнину с песчаными дюнными повышениями и заболоченными низинами с общим слабым уклоном на юго-запад к реке Оке (Анненская и др., 1983). Климат национального парка характеризуется как умеренно-континентальный с четко выраженными сезонами года.

Зональными почвами исследуемой территории считаются дерново-подзолистые, также значительно распространены болотно-подзолистые и торфяно-глеевые (Летопись природы..., 2007). На большей части территории национального парка распространены лесные растительные сообщества -хвойные, смешанные и мелколиственные леса (Проект организации..., 1999).

Зональным типом ландшафта данной местности являются сосновые леса. К основным лесообразующим породам вторичных лесов относятся сосна и береза, присутствует также ель, осина и единичные деревья других пород.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Объект исследований

Исследования техногенного воздействия на лесные биогеоценозы Мещерской низменности проводились на территории Радовицкой зандровой равнины, расположенной на северо-западе Рязанской Мещеры, где в 2011 г. был проложен газопровод траншейным методом на глубину 2,5 м. В результате этого образовалась просека шириной 50 м с сильно нарушенным почвенным и растительным покровом. На этой просеке был заложен первый участок. Второй участок был заложен в 800 м от первого на территории линии газопровода, по данным сотрудников Национального парка «Мещерский», проложенного в 1992-1993 гг. (20 лет до времени проведения исследований). На каждом участке было выделено по 2 пробные площади размером 50x50 м.

Для характеристики зональных лесных сообществ и почв Радовицкой равнины на пересечении с газопроводом была заложена линейная трансекта в направлении с севера на юг протяженностью 2 км и шириной 50 м, на которой проводился комплекс исследований по описанию топографических, геоморфологических, эдафических, флористических особенностей местности. Дополнительно на трансекте был выделен контрольный участок, расположенный вблизи техногенных участков, на котором производился отбор почвенных образцов для характеристики зональной дерново-подзолистой почвы. Расположение и направление трансекты выбиралось с учетом охвата всех типичных ландшафтных единиц применительно к общей ландшафтно-географической структуре исследуемой территории.

3.2. Методика проведения исследований

Рельеф и литогенная основа территории изучались на основании собст-

венных наблюдений и измерений. На трансекте производилось картирование местности с измерениями высот и последующим составлением геоморфологического плана и профиля территории (Спиридонов, 1970).

Для проведения геоботанического описания на трансекте выделялись отдельные типы растительных ассоциаций, где производилось описание древес-но-кустарниковой растительности и напочвенного покрова (Руководство по планированию..., 2007). В каждой ассоциации закладывались площадки размером 20x20 м (ОСТ 56-69-83) в двойной повторности для таксационного описания древесной и кустарниковой растительности (Таблицы и модели..., 2008), в каждой из которых - 10 площадок для геоботанического описания живого напочвенного покрова по общепринятой методике (Программа и методика..., 1966; Полевая геоботаника, 1964; Воронов, 1973). На техногенно нарушенных участках проводилось описание и учет травянистой растительности на 60 площадках размером 1x1 м и древесно-кустарниковой растительности на 4 площадках размером 20x20 м. Всего на трансекте и техногенных участках было заложено 380 площадок 1x1 м и 36 площадок размером 20x20 м. В процессе исследований был собран обширный гербарный материал. Определение видового состава растений проводилось в полевых условиях и на кафедре экологии и природопользования при участии кандидата биологических наук А.П. Кругло-вой с помощью определителей растений (Определитель растений..., 1986; Ма-евский, 2006).

Для изучения морфологических свойств почвы и описания горизонтов были сделаны почвенные разрезы глубиной до 1,5—2 м и прикопки глубиной до 75 см. Описание морфологических признаков почв производилось по Михайлову (1975), определение почв - по атласу-определителю «Почвы СССР» (1979) и «Классификации и диагностике почв России» (2004). С пробных площадок отбирались образцы почвы, которые включали определение органического вещества, подвижных соединений, кислотности, гранулометрического состава (Методы агрохимических..., 2004). Анализ полученных проб проводился на базе

Рязанской агрохимической станции и Научно-технического центра «Мещерский». Обработка полученных данных осуществлялась с помощью программ Microsoft Excel и Statistica.

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА И ЛЕСНЫХ СООБЩЕСТВ РАДОВИЦКОЙ РАВНИНЫ

4.1. Морфологические признаки и гумусное состояние почв изучаемой территории

Структура почвенного покрова Радовицкой равнины в связи с геоморфологическим строением прослеживается в направлении перехода от мезоморфных условий к гидроморфным. При этом наблюдается смена дерново-подзолистого процесса болотным и болотно-торфяным. На сухих флювиогля-циальных песках на возвышенностях развиваются дерновые почвы, в пониженных элементах рельефа формируются болотно-подзолистые почвы, в низинных болотах - торфяные и торфяно-глеевые почвы. Большую часть почвенного покрова Радовицкой зандровой равнины составляют дерново-подзолистые почвы, развивающиеся на аллювиальных четвертичных отложениях речных террас.

Строение профиля дерново-подзолистой почвы Радовицкой равнины:

Горизонт Ао:_ 0 — 7 см

Гумусо-элювиальный горизонт AI: 7- 19 см

12 см

Подзолистый горизонт А2: 19-41 см

22 см

Горизонт ВС: 41-158 см

117 см

Горизонт С: от 158 см

Преобладание в почве фракции мелкого и тонкого песка с примесью пылеватых частиц является неблагоприятным фактором для процесса гумификации почвы, поскольку большое содержание песчаных фракций в верхних горизонтах приводит к их опесчаниванию и делает почву более рыхлой и бесструктурной. В результате этого происходит вымывание подвижных

соединений и вынос их за пределы профиля. Содержание соединений в профиле дерново-подзолистой почвы N. К, Р, Са, типично для четвертичных отложений надпойменной террасы, состоящих из продуктов выветривания и переотложения первичных алюмосиликатных минералов. В почвенном профиле все слои резкокислые, кислотность по профилю колеблется незначительно и составляет в среднем рН=4,8.

Таблица 1 - Состав гумуса дерново-подзолистой почвы Радовицкой равнины

С отдельных групп, в % от общего С почвы

Глубина, С,% N,% C:N гуминовые фульвокислоты,

см кислоты, % от % от орг. С С гум./С фульв.

орг. С почвы почвы

10 2,35 0,0862 27,3 0,060 0,222 0,27

20 1,45 0,0564 25,7 0,032 0,127 0,25

30 0,63 0,0361 17,5 0,014 0,115 0,12

40 0,42 0,0338 12,4 0,001 0,026 0,04

Углерод в профиле колеблется в пределах 0,42-2,35% (табл. 1). Наибольшее содержание углерода наблюдается в верхних слоях почвы и значительно снижается к нижним слоям, то есть характер распределения углерода резко убывающий. Невысокое содержание зольных элементов и слабая гумификация растительных остатков способствуют образованию ненасыщенных фульвокислот, что определяет кислый характер фульватного гумуса. Фульвокислоты преобладают по всему профилю, уменьшаясь с глубиной, что характерно для почв на песчаных породах (Махонина, 2004). При этом наблюдается тенденция к снижению гуминовых кислот вниз по профилю, что соответствует данным экспериментальных исследований дерново-подзолистых почв (Пономарева, Плотникова, 1980). Азот находится в основном в верхнем слое почвы и уменьшается с глубиной, что совпадает с резко убывающем распределением углерода в профиле.

4.2. Характеристика растительного покрова лесных сообществ Радовицкой равнины

Основными типами леса в изученной части Радовицкой равнины

являются сосняки молиниевые и черничные (табл. 2), свойственные пониженным участкам между всхолмлениями и вторыми терассами рек. Сложные сосняки являются типичными для данного ландшафта производными группами коренных типов ельников - приручьевых и долгомошных, произраставших на гидроморфных почвах. Всего на трансекте было выделено 5 типов леса.

Таблица 2 — Распределение площади трансекты по типам леса

Типы леса, ТЛУ S, га %

Сосняк молиниевый сложный, ВЗ 77,4 43

Сосняк долгомошный, А4 23,4 13

Сосняк травяной, В2 30,6 17

Сосняк черничный, АЗ 45 25

Сосняк болотно-травяной, С4 3,6 2

Итого 180 100

Лесообразующими породами во всех типах сосняков являются Picea abies и Betula pubescens, при этом естественное возобновление чаще всего осуществляется за счет Betula pubescens и Populus tremula.B подлеске преобладающей породой на трансекте является Sorbus аисирагга. В небольших количествах встречается также Corylus avellana. Во всех типах леса, кроме сосняка болотного наблюдается моховый покров, состоящий из Polytríchum piliferum, Dicranum polysetum, Pleurozium schreberi.

Всего на трансекте выявлено 26 видов из 14 семейств, из них 19 относятся к травяным видам. В травяном покрове общими для всех сосняков наиболее встречаемыми видами являются представители Gramineae: Calamagrostis arundinacea, Calamagrostis epigeios, Poa pratensis и Molinia caerulea. Из семейства Liliaceae встречаются куртины Convallaria majalis и густой черничный покров, зачастую перекрываемый Maianthemum bifolium и зарослями Pteridium aquilinum. Встречаемость остальных видов незначительна. В качестве примера можно привести такие виды как Campanulla rotundifolial и Calunna vulgaris, образующие редкий рассеянный покров.

Сукцессионная динамика лесных сообществ выражается в демутационной смене высокопродуктивных хвойных насаждений низкобонитетными

11

мягколиственными лесами. На основании результатов исследований можно сделать вывод, что перечисленные типы леса свидетельствуют о протекании вторичных сукцессионных процессов в стадии мезотрофной и эвторофной гидросерии, особенно выраженной в юго-восточных депрессиях Радовицкой равнины,а также частично встречающейся ксеросерии на сухих песках.

ГЛАВА 5. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ И СОДЕРЖАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ТЕХНОГЕННЫХ ПОЧВАХ

5.1. Морфологические свойства профиля и гранулометрический состав

нарушенной почвы

Поскольку техногенная деятельность оказывает значительное разрушающее воздействие на почвенный покров, эмбриоземы характеризуются примитивным бесструктурным профилем. Исследования морфологии техногенной почвы в течение 3 лет наблюдений показали наличие примитивного профиля Ао-Атех-АВ-ВС-С:

Почва 1-3 года Почва 20 лет

Ао 5 мм

Атех до 36 см

В 36-54 см

18 см

ВС 54-177 см

123 см

с от 177 см

Ао 1,5 см

АоА1 1.5-2,5 см

2 см

А2 2.5 - 36 см

33,5 см

В 36-54 см

18 см

ВС 54-141 см

87 см

С от 141 см

Средняя мощность техногенного горизонта Атех составляет 30-36 см. С течением времени эрозионные процессы приводят к выносу частиц на склонах, где мощность горизонта уменьшается и почвовосстановительные процессы замедляются. Также выраженным и быстро формирующимся горизонтом молодой техногенной почвы является лесная подстилка, поскольку она образуется под влиянием растительного покрова. В течение первых лет развития мощность

подстилки невысока и находится в пределах до 0,5 см. По А. П. Сапожникову (1984) степень покрытия почвы подстилкой колеблется от фрагментарной до очаговой.

Более выраженная дифференциация горизонтов в техногенных почвах наблюдается в возрасте от 20 лет, где профиль имеет .следующее строение: Ао-АоА1-А2-В-ВС-С. Мощность подстилки составляет 1,5 см, также наблюдается грубогумусовый горизонт мощностью до 2 см. Было установлено, что гранулометрический состав техногенной почвы в течение трех лет не изменился, и его можно охарактеризовать как пылеватая супесь. Фракция ила в слое до 10 см в почве 3-го года резко уменьшается вниз по профилю с 6,7% до 1,35%, но в 20-летней почве наблюдается увеличение содержание данной фракции в горизонте В, достигая максимума на глубине 40 см - 7,6 %. Содержание и характер распределения песчаных фракций 0,25 — 0,01 мм в профиле 20-летней почвы в целом слабо меняется по сравнению с почвой 3-го года, наблюдается лишь небольшое возрастание их в слое 50 см до 34,4% и 33%. Анализ гранулометрического состава техногенной 20-летней почвы показывает минимальное смещение илистых фракций на глубину 10 см, что говорит о более высокой границе залегания подзолистого горизонта, чем в фоновой почве.

5.2. Динамика органического вещества в техногенной почве

Распределение органического вещества в профиле техногенной почвы имеет эктоморфный характер. Почва 1-го года характеризуется низким содержанием гумуса - 0,16% на глубине 10 см (табл. 3). На 2-й год наблюдается возрастание содержания органического вещества, особенно в поверхностном горизонте: на глубине 10 см содержание углерода — 0,28 %. В почве 3-го года тенденция к накоплению органического вещества в верхней части минерального профиля сохраняется. Почва 2-го и 3-го года имеет сходный характер распределения гумуса: с глубины 30 см идет резкое снижение. Средняя скорость восстановления гумуса в период первых 3-х лет на глубине 10 см составляет 0,11 %. В

20-летней почве на глубине 10 см содержание гумуса составляет 0,61 % и резко убывает с глубиной, что свидетельствует о выраженной зависимости гумусооб-разовательного процесса от формирования подстилочного горизонта. Возрастает и мощность горизонта А1 - до 8 см.

В первые месяцы наблюдений не выявлено содержание азота в почве, поскольку уничтожение растительности в результате техногенного нарушения привело к снижению биологических процессов в почве, в том числе азотфикса-ции (табл. 3).

Таблица 3 - Содержание и состав гумуса техногенной почвы

Глубина взятия образца, см С,% С:К С отдельных групп, в % от общего С почвы рН

гуминовые кислоты, % от орг. С почвы фульво-кислоты, % от орг. С почвы С гум./С фульв.

Почва 1-го года

10 0,16 - - - - ■ 5,3±0,4

20 0,11 - - - - - 4,6+1,2

30 0,06 _ _ - - - 4,5±0,8

40 <0,01 - - - - - 3,7+0,3

Почва 2-го года

10 0,28 0,0125 22,4 0,048 0,136 0,353 5,5+0,9

20 0,15 0,0044 34,1 0,023 0,129 0,178 5,5+0,6

30 0,09 0,0025 36 0,013 0,115 0,113 4,3+0,2

40 0,04 0,0013 30,8 0,011 0,112 0,098 3,7+0,7

Почва 3-го года

10 0,33 0,0152 21,7 0,052 0,143 0,364 5,5+0,2

20 0,17 0,0047 36,2 0,025 0,136 0,184 4,9+0,5

30 0,12 0,0039 30,8 0,012 0,124 0,0974 4,9+0,8

40 0,08 0,0032 25 0,01 0,112 0,089 4,7+0,3

Почва 20 лет

10 0,61 0,0237 25,7 0,059 0,218 0,271 6,2+1,2

20 0,32 0,0126 25,4 0,045 0,189 0,238 4,9+0,9

30 0,16 0,0064 25,0 0,014 0,157 0,089 3,6+0,2

40 0,12 0,0053 22,3 0,012 0,124 0,097 3,4+0,6

Начиная со 2-го года содержание азота составляет 0,0125 %, оно постепенно возрастает, что обусловлено появлением и развитием высших растений на эмбриоземе. Это обстоятельство определяет резко убывающий характер распределения азота по профилю, где большая часть его концентрируется в слое

до 10 см и уменьшается с глубиной. К 20-летнему возрасту количество азота в верхнем слое составляет 0,0237 %, что вызвано переходом растительности в стадию сложного фитоценоза. Содержание азота в верхнем слое 20-летней почвы возросло по сравнению с аналогичным показателем почвы 2-го года в 1,9 раза, почвы 3-го года - в 1,6 раза.

В профиле техногенной почвы реакция среды испытывает в вертикальном распределении незначительные колебания, все горизонты имеют резкокислую среду (р№=3,4-6.2), что соответствует показателям кислотности в типичной дерново-подзолистой почве. Это свидетельствует о том, что почвообразовательные процессы протекают в соответствии с зонально-экологическими особенностями данной территории. Значение кислотности находится под действием таких факторов как техногенные пылевые выпадения, которые в течение первых месяцев после окончания работ под действием осадков приникали в слои почвы.

Показатель гуматности техногенной почвы несколько выше фонового показателя и составляет 0,35 и 0,36 в первые годы соответственно. Состояние гумуса в почве 20-летнего возраста свидетельствует о повышении содержания фульвокислот в горизонте АоА1: соотношение гуминовые кислоты/фульвокислоты - 0,27 и сохраняется примерно на этом уровне и в фоновой почве.

Соотношение С:Ы в профиле почвы 2-го года с глубиной увеличивается, в 20-летней находится примерно на одном уровне по всей глубине. К 20 годам в молодой почве соотношение С:Ы по сравнению с почвой 3-го года незначительно возрастает с 21,7 до 25,7 на глубине 10 см. Наибольшее соотношение С:Ы наблюдается в верхнем слое 20-летней почвы, приближаясь к фоновому показателю, что подтверждается данными корелляционного анализа. С повышением возраста почвы в период до 20 лет взаимосвязь между азотом и углеродом растет, достигая максимума в 20-летней почве (г=0,82), но в зрелой дерново-подзолистой почве снижается до г=0,74, что может объясняться

переходом экосистемы в стадию динамического равновесия (Махонина 1990, 2003). В первые годы скорость гумусообразования преимущественно зависит от возобновления растительности, что обуславливает высокие коэффициенты взаимосвязи азота и углерода.

С увеличением возраста техногенной почвы наблюдается формирование грубогумусового горизонта, а также дифференциация подзолистого и иллювиального горизонтов. Профиль техногенной почвы характеризуется как аккумулятивный с регрессивным распределением органического вещества, что характерно для дерново-подзолистых почв (Карпачевский, 1997).

5.3. Динамика видового состава растительного покрова техногенных

фитоценозов

Характерная для первичных сукцессий, стадия освоения субстрата мхами и лишайниками отсутствует, что свойственно для псаммоксеросерии (Разумовский, 1981). Первые пионерные виды Calamagrostis epigeios и Aper а spica-venti стали заселять нарушенную почву уже в первый год наблюдений после нарушения. Примечательно, что появились растения, типичные для Радовицкой равнины: Linaria vulgaris, Helichrycum arenarium, Calamagrostis epigeios, Poa pratensis, Agrostic tenuis. Преобладают лесные и рудеральные виды. При этом на большей части территории растительность была разрежена и ОПП за 3 года наблюдений не превышала 40%, что при наличии доминирования злаковых и корневищных глубокостержневых растений свидетельствует о том, что фитоценоз находится на стадии формирования простой группировки (Воронов, 1973; Махонина, 2004; Коронатова, 2004). На участке 20-летнего возраста обнаружено 15 растительных видов. Из них 14 видов высших сосудистых растений и 1 вид отдела Bryophyta. Ярус травяного покрова довольно плотный с четко выделенными парцеллами Pteridium aquilinum. Доминируют по прежнему Gramineae: Poa pratensis (copl) и Calamagrostis epigeios (сор 2). Появилась Vaccinium vitus-idaea, Rubus idaeus, что свидетельствует о начале процесса повышения трофности почвы.

В целом на техногенных участках было отмечен 21 вид сосудистых растений из 10 семейств. Наибольшим количеством видов представлены семейства Graminae (5 видов) и Compositae (6 видов). Доминантами в фитоценозе являются Calamagrostis epigeios и Роа pratensis. В течение первых 3 лет зарастания территории доля участия Graminae в фитоценозе снижается до 22 %, количество видов семейства Compositae в первые 3 года возобновления увеличивается до 45 %, а к 20-летнему возрасту зарастания уменьшается до 22 % (табл. 4). На 20-летней техногенной почве число видов и семейств возрастает, отсутствуют виды Caryophyllaceae, появились виды семейства Ericaceae.

Таблица 4 - Флористическая характеристика фитоценозов техногенных участков разного возраста 04 - число видов, % - от общего числа видов)

Семейства Начальная стадия зарастания 20 лет Итого

1-й год (2011 г.) 2-й год (2012 г.) 3-й год (2013 г.)

N % N % N % N %

Graminae 2 100 2 40 4 36 3 22 5

Compositae _ - 1 20 5 46 2 22 6

Caryophyllaceae ■ - 2 40 - - - - 2

Scrophulariaceae - - - - 1 9 1 7 1

Pinaceae - - - 1 - 1 7 1

Betulaceae - - - - - 1 7 1

Ericaceae - - - - - 2 14 2

Onagraceae _ - - - - - 1 7 1

Polypodiaceae s.l. - - - - - - 1 7 1

Rosaceae - - - - - - 1 7 1

Число видов 2 5 11 14 21

Число семейств 1 3 4 9 10

Доля видов в 2-х ведущих семействах, % 100 60 90 43 52

Во 2-й год наблюдается увеличение видового разнообразия по сравнению с 1-м годом в 2 раза. Число семейств на 20-летнем участке превышает число семейств 3-летнего участка почти в 2 раза. На 3 год наблюдений имеются массовые всходы соснового подроста (2600 шт./га). На участках 20-летней давности присутствует сосновый и березовый подрост, доля сосны составляет 100 шт./га, березы 50 шт./га, и наблюдается тенденция к лесному зарастанию. В

видовом отношении береза и сосна составляют 14% от общего числа видов. Древостой развивается медленно, и в 20 лет наличие сомкнутого полога еще не наблюдается.

В результате проведенных исследований, выявлено, что техногенный ландшафт 3-года наблюдений находится на стадии;, простой растительной группировки, а 20-летний ландшафт - на стадии сложного фитоценоза. На исследуемой территории за 20-летний период возобновления сформировалось смешанные сосново-березовые насаждения с преобладанием папоротниково-злакового сообщества в напочвенном покрове. Можно предположить, что в перспективе сукцессионные процессы в техногенном сообществе со временем приведут к формированию лесного фитоценоза.

ГЛАВА 6. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГУМУСООБРАЗОВАНИЯ И ДИНАМИКИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ МЕЩЕРСКОЙ

НИЗМЕННОСТИ

Всего количество выявленных в ненарушенных и нарушенных фитоценозах видов сосудистых растений составляет 37. Общими из них является 10 видов: Molinia caerulea, Роа pratensis, Pteridium aqulinum, Antennaria dioica, Calluna vulgaris, Calamagrostis epigeios, Vaccinium vitus-idaea, Rubus idaeus, Pinus silvestris, Betula pubescens.

Из общих семейств превалируют злаковые и вересковые. Число семейств

на техногенных участках с 20-летним сроком возобновления - 10, в

ненарушенных фитоценозах — 14 и наблюдается сильное различие по видовому

разнообразию: в ненарушенных фитоценозах число видов почти в 2 раза выше.

Отсутствие в 20-летнем техногенном ландшафте Convallaria majalis

объясняется доминирующей ролью Calamagrostis epigeios, подавляющего

развитие прочих видов (Терешкин, Терешкина, 2006) и отсутствием условий,

необходимых для произрастания Convallaria majalis. Кустарниковый ярус за 20

лет не восстановился в связи с отсутствием древесного полога. Общими

древесными породами для техногенных и фоновых ландшафтов являются Pinus

18

и Веш1а риЬезсет.

Стоит отметить, что в почве возрастом 20 лет мощность подстилки меньше фоновой в 4,5 раза. Содержание гумуса фоновой почвы выше показателей техногенной 20-летней в 3,8 раза. Показатели соотношения С/Ы и кислотности близки. Наблюдается общая тенденция развития техногенной почвы в сторону исходной дерново-подзолистой. Согласно имеющимся данным (Лисецкий и др., 2005), скорость восстановления гумусового слоя на нарушенных дерново-подзолистых почвах составляет около 1 мм в год, что соответствует данным наших наблюдений.

Таблица 5 - Сравнительная характеристика гумусного состояния и растительности техногенной почвы разного возраста и контрольного участка

Сообщество 1-й год 2-й год 3-й год 20 лет Контроль

Число видов 2 5 11 14 21

Число семейств 1 3 4 9 14

Мощность подстилки, мм 0 2 5 15 70

Содержание гумуса, % (10 см) 0,16 0,28 0,33 0,61 2,35

Содержание азота, % (10 см) 0 0,0125 0,0152 0,0237 0,0862

С^ (10 см) 0 22,4 21,7 25,7 27,3

Сгк, %(10 см) 0 0,048 0,052 0,059 0,06

Сфк, % (10 см) 0 0,112 0,112 0,124 0,026

Тип гумуса, Сгк/Сфк (10 см) 0 0,098 0,089 0,097 0,04

Сравнивая динамику гумусообразования Мещерской низменности и Южного Урала (рис.), можно отметить, что на ранних стадиях почвообразования Южного Урала наблюдается более плавное в первые 10 лет и резкое впоследствии увеличение гумуса по сравнению с почвами Мещерской низменности, где содержание гумуса сильно возрастает в первые 3 года и затем выравнивается. В обоих случаях наблюдается прямая зависимость между возрастом техногенной почвы и увеличением содержания гумуса. В Мещерской низменности более интенсивный рост содержания углерода объясняется большим содержанием тонкодисперсных пылеватых частиц в отличие от каменистых почв Южного Урала. Кроме того, на динамику гумуса техногенных почв Южного Урала влияет повышенное содержание микроэлементов в результате добычи полезных ископаемых, что замедляет возобновление

19

растительности. В Мещерской низменности рыхлый супесчаный субстрат и близкое расположение лесных фитоценозов с техногенными ландшафтами способствует более быстрому развитию растительного покрова, что положительно сказывается на процессе гумусообразования.

0,7 %

£о,6

е и

§0,5 £

0,3 0,2 ОД 0

♦

0 5 10 15 20 25

♦ Мещерская низменность Я Южный Урал Возраст почвы, лег

Рис. Содержание углерода на глубине 10 см в техногенных почвах Мещерской низменности и Южного Урала (по данным Г.И. Махониной, 1979,2004).

Для почвенно-экологической оценки состояния техногенного ландшафта использовалась шкала Семиной И.С. (2012), согласно которой исследуемую нами техногенную почву 20-летнего возраста можно отнести к органо-аккумулятивной стадии ввиду наличия развитой подстилки из опада мощностью до 2 см и развитого растительного покрова, что свидетельствует о процессе накопления органического вещества в почвенном профиле. По шкале Семиной И.С. органо-аккумулятивная стадия эмбриозема представляет вторую стадию возобновительного процесса после инициальной. Состояние техногенного ландшафта можно оценить как удовлетворительное.

Таким образом, на исследуемой территории, подвергшейся техногенному нарушению с полной деградацией почвенно-растительного покрова, скорость восстановительных процессов почвы и растительности незначительна, что требует дополнительных технологических мероприятий.

выводы

1. Дерново-подзолистые почвы Радовицкой равнины имеют четко выраженный элювиально-иллювиальный профиль, имеется мощный подзолистый горизонт. Гумусовый горизонт имеет небольшую мощность (12 см) и низкое содержание органического вещества (2,35%).

2. На изучаемой трансекте выявлено 5 доминирующих типов лесных сообществ: сосняк молиниевый сложный, сосняк долгомошный, сосняк травяной, сосняк черничный, сосняк болотно-травяной. Среди древесной растительности преобладает смешанный сосново-березово-осиновый древостой. Данные сообщества соответствуют псаммоксеросериям и олиготорофным стадиям гидросерии, а также некоторым признакам мезосерии.

3. В техногенных почвах возрастом до 3 лет наблюдается выраженный техногенный горизонт Атех (мощность 36 см). За 3 года видимых изменений в профиле почвы не наблюдалось. Выраженный органогенный горизонт в техногенной почве наблюдается в 20 лет (мощность 2 см). Профиль техногенной почвы характеризуется как аккумулятивный с регрессивным распределением органического вещества. Содержание гумуса в 3-летней и 20-летней почве характеризуется как очень низкое и составляет соответственно 0,33% и 0,61%,

характер гумуса фульватный.

4. Песчаный субстрат в течение первых месяцев заселяется высшими растениями, мохово-лишайниковая стадия отсутствует. Фитоценоз 3-летнего возраста находится на стадии формировании простой растительной группировки с доминированием вгаттае и СотровИае. В 20-летнем фитоценозе сформировались смешанные сосново-березовые насаждения с преобладанием папоротниково-злакового напочвенного покрова.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

На участках, подвергшихся разрушению почвенного покрова и нуждающихся в восстановлении, следует осуществить ряд мероприятий, способствующих улучшению экологического состояния лесного БГЦ: посадка культур сосны с примесью мягколиственных пород, внесение в нижних слоях грунта минеральных

или органических удобрений (применяется на территориях, предназначенных для сельскохозяйственного и лесохозяйственного использования); рыхление или вспашка грунта с удобрениями и подготовка рекультивированной площади к вводу в сельскохозяйственный или лесохозяйственный оборот.

По теме исследования опубликованы следующие работы:

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Иванов Е.С. Черногаев В.Г. Роль естественного возобновления леса в системе противопожарных мероприятий в национальном парке «Мещерский» // Экологические системы и приборы. - 2013. - №2. - С. 24-28.

2. Черногаев В.Г. Динамика растительного и почвенного покрова после антропогенного воздействия на территории Национального парка «Мещерский» // Экологические системы и приборы. - 2013. -№11.-С.53-58.

3. Черногаев В.Г. Состояние лесных насаждений и орнитофауна территорий, пострадавших от пожаров // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2014. - № 11. - С. 249-252.

Публикации в других научных изданиях:

4. Черногаев В.Г. Влияние лесных пожаров на растительные сообщества // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук: Материалы международной конференции 4 декабря 2010 года. - Рязань, РИУП, 2011. - С. 357-359.

5. Черногаев В.Г. Использование естественно возобновившихся мягколиственных пород на лесных гарях в качестве противопожарных барьеров в НП «Мещерский» // Аспирантский вестник Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. Вып. 18.-Рязань, 2011. —С. 10-12.

6. Черногаев В.Г., Иванов Е.С. Динамика и трансформация лесных ландшафтов в Национальном парке «Мещерский» // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук. Материалы международной конференции 2 декабря 2011 года. - Рязань, РИУП, 2012. - С. 439-442.

7. Черногаев В.Г., Иванов Е.С. Воздействие антропогенного фактора на естественную динамику лесной растительности на примере НП «Мещерский» // Экология, эволюция и систематика животных: Материалы Международной научно-практической конференции. - Рязань: НП «Голос губернии», 2012. - С. 434-435.

8. Черногаев В.Г. Состояние и свойства дерново-подзолистой почвы на территории национального парка «Мещерский» // Актуальные проблемы экологии и природопользования: сб. науч. тр. / отв. ред. H.A. Черных. - Вып. 15. - М.: РУДН, 2013. - С. 262-265.

Подписано в печать 16.12.2014 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 п.л. Заказ 462 Тираж 100 экз.

Издательство ФГБОУ ВПО РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области