CC BY
20
УДК: 631.46:502.62./.23
БИОЛОГО-ПОЧВЕННОЕ СООБЩЕСТВО КАК ПОКАЗАТЕЛЬ
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЛАНДШАФТА
(НА ПРИМЕРЕ ОТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД МИХАЙЛОВСКОГО ГОКА)
ГОЛОВАСТИКОВА А.В.,
доцент, ФГБОУ ВО Курская ГСХА, г. Курск, golovastikova.a.v@mail.ru.
Реферат. Жизнь на нашей планете сосредоточена в ее наружной оболочке, называемой биосферой. Между всеми компонентами биосферы существуют прочные взаимосвязи. В. В. Докучаев сетовал на то, что в его время изучались главным образом отдельные тела - минералы, горные породы, растения и животные, но не их соотношения, не та генетическая и всегда закономерная связь, которая существует между телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растениями, животными и минералами. Он настаивал на необходимости при изучении, а особенно при использовании в практических целях, иметь в виду всю единую, цельную и неразрывную природу, а не отрывочные ее части. Накопившиеся за десятилетия социально-экологические проблемы особенно ярко проявляются в районах с высокой концентрацией населения, хозяйственного, социально-культурного потенциала. В связи с чем возникает вопрос сохранения и восстановления экологической устойчивости среды, которая заключается в сохранении устойчивости отдельных ее подсистем. Поэтому, изучение устойчивости активного центра биосферы - биолого-почвенного сообщества, является актуальным и приобретает особую значимость в связи с принятым Указом Президента РФ от 31 декабря 2015 г. № 683 «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации», в котором содержатся требования по минимизации ущерба, причиненного окружающей среде при разведке и добыче полезных ископаемых». Статья посвящена установлению особенностей формирования биолого - почвенного сообщества, определению экологического состояния отвалов вскрышных пород Михайловского железорудного карьера КМА, а также характеру и скорости их самовосстановления. По материалам исследований разработана методика оценки устойчивости экосистем и предложен интегральный показатель экологического состояния системы - коэффициент экологического состояния (КЭС).
Ключевые слова: вскрышные породы, лёссовидный суглинок, глина келловея, саморекультивация, ценоз, биолого-почвенное сообщество, растения - эдификаторы, монодоминантная пионерная группировка, гетероцист-ные цианобактерии, безгетероцистные цианобактерии, почвогрунт, пионерное растительное сообщество, сомкнуто-групповое растительное сообщество, группово-сомкнутое растительное сообщество, диффузное растительное сообщество, интегральный показатель экологического состояния системы (КЭС).
INSTITUTE OF BIOLOGY AND SOIL COMMUNITY AS AN INDICATOR OF THE ECOLOGICAL STATE OF TECHNOGENIC LANDSCAPES (ON THE EXAMPLE OF THE OVERBURDEN DUMP MIKHAILOVSKY GOK)
GOLOVASTIKOVA A.V.,
associate Professor, Kursk state agricultural Academy them. I. I. Ivanova, golovastikova.a.v@mail.ru.
Essay. Life on our planet is concentrated in its outer shell called the biosphere. Between all components of the biosphere, there are strong relationships. V. V. Dokuchaev lamented the fact that his time was studied mainly separate bodies -minerals, rocks, plants and animals, but not their ratio, not the same genetic and always a natural link between bodies and phenomena, between dead and living nature, between plants, animals and minerals. He insisted on the need when studying and especially when used in practical purposes to mean all United, whole and indivisible nature, and not the sketchy part. For decades of accumulated socio-environmental problems are particularly pronounced in areas with a high concentration of population, economic, socio-cultural potential. In this connection the question arises of the preservation and restoration of ecological sustainability of environment, which is to maintain the stability of the individual subsystems. Therefore, the study of the stability of the active center of the biosphere - biology and soil community, is relevant and is of particular importance in connection with the adopted decree of the President of the Russian Federation from December 31, 2015. N 683 "On the national security Strategy of the Russian Federation", which includes requirements to minimize damages caused to the environment during the exploration and production of minerals". The article is devoted to the determination of features of formation of Institute of biology and soil of the community defining the ecological status of the overburden dump of the Mikhailovsky iron ore quarry KMA, as well as the character and speed of restoration. According to the materials of the research developed a methodology for assessing the sustainability of ecosystems and offers an integral indicator of the ecological state of the system - the coefficient of ecological status (KES).
Keywords: overburden rocks, loess-like loam, clay, Callovian, samoreguliruetsja, cenosis, biological and soil community, the plant edificatory, monodominant pioneer group, heterocyst cyanobacteria, beshitrostnye cyanobacteria, soil, pioneer plant community, closeness-a group of plant community group-closed plant community, diffuse plant community, an integral indicator of the ecological state of the system (KES).
Введение. Современное естественное состояние Земли характеризуется острым кризисом взаимоотношений человека и природы. Особенно ярко это проявляется на урбанизированных техногенных территориях, где возникает противоречие между характером хозяйственного и техногенного использования земель и эко-
логически рациональным и безопасным развитием ландшафта.
В условиях усиливающегося антропогенного влияния на окружающую среду создание устойчивых само-регелируемых территорий требует комплексного целенаправленного воздействия на почвенный и раститель-
ный покровы одновременно как на единое целое, что, безусловно, требует и детального изучения процессов естественного самовосстановления.
Материалы и методы исследований. Изучались отвалы из лёссовидного суглинка и глины келловея (5-ти, 15-ти и 25-ти лет). Устанавливались процессы естественного зарастания различных типов отвалов, динамика микробиологических процессов, ценозов почвенных беспозвоночных, альгоценозов и ценозов мохообразных. Были сделаны выводы о корреляционной зависимости всех компонентов биолого-почвенного сообщества, связанной с процессами почвообразования. Весьма наглядно, в этих условиях, прослеживается динамика сообществ в связи с литологическим составом пород, их химизмом, возрастом и характером рельефа.
Результаты исследования. Для молодых отвалов (3-5 лет) лёссовидного суглинка характерна бурьяни-стая растительность (сомкнуто-групповое сообщество) с единичными экземплярами древесных видов, в то время как для отвалов 5-летнего возраста глин келловея характерна монодоминантная пионерная группировка мать-и-мачехи. На средневозрастных отвалах лёссовидного суглинка (10-15 лет) формируется группово-сомкнутое сообщество, где значительную роль начинает играть разреженный древостой. К 20 годам большая часть этих отвалов облесена и достигает уровня диффузного сообщества. В подлеске значительную роль играют лесные виды. Не занятые древесной растительностью участки характеризуются наличием злаково-бобово-разнотравной ассоциации. 20 -летние отвалы глин келловея достигают уровня группово-сомкнутого сообщества промежуточного (серийного) характера, с определенным уровнем стабильности. На ограниченных, не заросших древесной растительностью участках отвалов формируется сложный фитоценоз, характеризующийся четким выделением двух ярусов. Растениями - эдификаторами в первом ярусе являются люцерна хмелеватая, пырей ползучий, мятлик луговой, цикорий обыкновенный, во втором - кипрей узколистый, донник белый, донник лекарственный.
Почвенные водоросли, являясь постоянным компонентом биоценозов, четко реагируют на изменение условий среды обитания, на чем основана возможность их использования для диагностики почвенных процессов и оценки устойчивости их к антропогенным воздействиям. Усиленное развитие водорослей - это хороший показатель наличия в почве мобилизуемых запасов азо-
та. Зеленые водоросли быстро изменяют долю своего участия в формировании альгоценоза при разной степени обеспеченности субстрата азотом. При недостатке азота их количество невелико, что отмечается на молодых отвалах лессовидного суглинка и отвалах среднего возраста глины келловея (около 25 %). При увеличении количества азота с возрастом их доля возрастает до 50 % на лессовидном суглинке и до 40 % - на глине келловея. Гетероцистные (азотфиксирующие) цианобактерии отражают недостаток азота и преобладают на ранних стадиях сингенеза высшей растительности (50 % - на лессовидном суглинке и 100 % - на глине келловея). Безгетероцистные (не фиксирующие) азот цианобакте-рии характерны для почв, достаточно обогащенных азотом. Наибольшее количество их отмечается на 25 летних отвалах лёссовидного суглинка. Диатомеи, как наиболее требовательные к почвенным условиям, наиболее обильны на отвалах среднего возраста.
Таким образом, установление доминирования того или иного отдела водорослей и анализ их сингенетических сукцессий является достаточно надежным тестом для установления условий почвообразования.
Поскольку развитие микробоценозов на отвалах идет по пути количественного и качественного преобразования исходных групп микроорганизмов, то по их изменению можно установить уровень восстановленно-сти биолого-почвенного сообщества. Более того, этот процесс прослеживается при изучении ферментативной активности, как более устойчивого показателя.
Четкая зависимость в увеличении числа беспозвоночных и изменении их видового состава наблюдается при изменении экологических и питательных условий почвогрунтов отвалов. Нами рассмотрена сукцессион-ность основных компонентов исследованных отвалов Михайловского ГОКа (таблица 1).
Таким образом, несмотря на сукцессионность в генезисе биолого-почвенного ценоза, попытки установить его экологическое состояние по состоянию одного из его компонентов являются не вполне корректными так как не отражает всех особенностей экосистемы.
Кроме того, такая оценка экологических условий не дает возможности прогнозирования развития каждого конкретного биолого-почвенного сообщества либо это прогнозирование является поверхностным и не отражает реального состояния экосистемы.
Таблица 1 - Сукцессионность биопедоценозов на отвалах четвертичного суглинка и глины келловея
Растительное Биомасса Биомасса Соотношение групп Соотношение отделов водорослей, %
сообщество растений, г/м2 почвенной фауны, г/м2 микроорганизмов,%
МПА КАА ср. Чапека Зелён. Сине-зелён. Желто-зелён. Диатомовые
Пионерное 105 - 68 6 26 - 100 - -
Сомкнуто -групповое 207 300 3,3 0,7 50 58 13 20 37 22 25 25 45 40 20 25 5
Группово-сомкнутое 286 436 6,9 4,8 28 54 21 37 25 35 45 40 30 25 22 О |0 5 5
Диффузное 532 20,6 31 36 33 50 20 20 10
-- -- -- -- -- -- -- -- --
Примечание: числитель - лёссовидный суглинок; знаменатель - глина келловея
Таблица 2 - Расчет для лессовидного суглинка
I г! к1 1: -1 к - к (к- к )2 1 -1 (1-1)(к- к)
1 5 0,33 -10 -0,19 0,0361 -10 1,9
2 15 0,53 0 0,01 0,0001 0 0
3 25 0,70 10 0,18 0,0324 10 1,8
1,56 0 0 0,0686 200 3,7
Таблица 3 - Расчет для глины келловея
I г, к, 1 -- к - к (11-- )2 (к,- к )2 (1, - 1)(к, - к)
1 5 0,25 -10 -0,106 100 0,01123 1,06
2 15 0,33 0 -0,026 0 0,0006 0
3 25 0,49 10 0,134 100 0,0179 1,34
45 1,07 0 0 200 0,0297 2,4
Следовательно, для оценки устойчивости любой экосистемы необходим ряд показателей отражающих ее экологическое состояние. Эти показатели могут быть выражены в интегральном показателе по формуле:
(1)
КЭС = п П Х1
где КЭС - коэффициент экологического состояния системы;
х1 - показатель состояния каждого отдельного компонента биолого-почвенного сообщества, выраженный в процентах к зональному показателю;
1 - индекс показателя, используемого в описании (1=1,2,.... п);
п - количество показателей:
п
Пх,
1
Рассмотрим временную связь КЭС (к = КЭС/100) характеристик биолого-почвенных сообществ отвалов из лессовидного суглинка и глины келловея.
Определив КЭС по формуле (1) вычислим коэффициент корреляции г4к по формуле:
- 1)(к1 - к)
(2)
2(1, -1) у 2(к, - к)
Учитывая 13 показателей при расчете г4к, получаем: для лессовидного суглинка Г = 15; к- = 0,52; г^ = 0,99; для глины келловея: Г = 15; к- = 0,356 (6) ; г^ = 0,98.
Из расчетов следует, что существует линейная временная зависимость коэффициента экологического состояния системы. Определив коэффициент Ък регрессии по формуле:
Ьк/1 =
т, - 1)(к - к)
(3)
где 1 - время; к - коэффициент экологического состояния системы; 1, к - средние значения этих величин.
Расчеты коэффициента корреляции (I) представлены в таблице 2 для лессовидного суглинка и в таблицы 3 для глины келловея.
2(11 -1)2
Найдем уравнение прямой регрессии в виде:
к - к = Ьк/1 (1 -1) . (4)
Для лёссовидного суглинка и глины келловея зависимость будет иметь соответственно вид: к = 0.0185* + 0.2425 и к = 0.0Ш + 0.176. (5)
Весь процесс можно описать дифференциальными уравнениями с начальными условиями:
¿к
- для лессовидного суглинка — = 0 0185, к (5) = 0,33;
- для глины келловея ¿Ё = о 0185, к (5) = 0,33.
¿1 '
Исследуем прогнозирующие свойства полученной модели. Для этого нанесем исходные данные на координатную плоскость и построим найденные прямые регрессии к = 0,0185t + 0,2425 (рисунок 1); к = 0,0Ш + 0,176 (рисунок 2).
Таблица 4 - Сравнительная оценка к (к=КЭС/100) для ^ 6 и 13 показателей
Количество показателей к суглинка к глины Контроль
5 лет 15лет 25 лет 5 лет 15 лет 25 лет
к(13) 0,33 0,53 0,70 0,25 0,33 0,49 1
к(6) 0,30 0,49 0,73 0,28 0,37 0,42 1
Д к 0,03 0,04 -0,03 -0,03 -0,04 0,07 0
п
II
п
Г1к =
2
2
п
п
Д к = к(13) - к(6)
Рисунок 1 - Прямая
Рисунок 2 - Прямая
регрессия к = МШ* + регрессия к = 0.0121 + 0.176 0.2425
Отметим, что полученная модель (уравнение прямой регрессии) обладает прогнозирующими свойствами лишь при изменении времени от 5 до 25 лет. Так, например, можно с достаточной степенью достоверности считать, что через 10 лет интегральный показатель изменения экологической системы для лессовидного суглинка составит 0,4275 или 42,75 %, а для глины келловея 0,296 или 26,9 %.
Все характеристики изменения х, разобьем на интервалы. Точное их число устанавливается практическими соображениями. С одной стороны важно, чтобы таблица не была слишком громоздкой и с другой стороны, в ней не должны исчезнуть особенности изучаемого признака. В нашем исследовании из 13 показате-
лей выделим 6, которые будут характеризоваться определенным признаком: вес сухого опада, количество беспозвоночных, целлюлозоразлагающая активность, количество органического вещества, зеленые водоросли, видовой состав мхов. Оценка коэффициента по 6 показателям отличается от оценки по 13 показателям на 3-7 % (таблица 4). Поэтому, для практических нужд, вводя определенный коэффициент на поправку с целью получения устойчивого показателя экологического состояния системы, расчет КЭС возможно вести по варианту с меньшим числом показателей. Такой расчет хорошо согласуется и с более сложной системой расчета.
Выводы. Полученные данные свидетельствуют о том, что:
- скорость изменения КЭС является постоянной величиной равной 1,85 % для лессовидного суглинка и 1,2 % для глины келловея;
- изменение всех компонентов биолого-почвенного комплекса в условиях техногенных ландшафтов, выраженных интегральным показателем оценки экологического состояния позволяет описать изучаемые процессы во времени дифференциальным уравнением с постоянными условиями;
- по найденной временной связи можно прогнозировать оценку КЭС на интересующий промежуток времени;
- разработана методика оценки КЭС с меньшим числом показателей, хорошо согласующихся с теоретическими и практическими данными более сложной системы.
Прогнозирование основных биологических процессов на изученных нами отвалах, проведенное методом экспоненциального сглаживания по Брауну, доказывает ту же закономерность хода кривых, что и суммарные характеристики. При этом отмечается, что быстрее всего заканчивается формирование водорослевых ценозов: 19 лет - на лёссе, и 32 года - на глине. Формирование растительной биомассы по прогнозу закончится к 45 годам - на лёссе, 54 - на глине келловея. Видовой состав на лёссовидном суглинке может стабилизироваться к 54-55 годам, на глине келловея - к 90 году. Напряженность микробиологических процессов достигнет зонального уровня на лессе в 25-29 лет, на глине - в 36-60 лет. Для стабилизации мохового состава на лессе потребуется около 30 лет, на глине - 70 лет. Максимальное количество времени требуется для восстановления фауны беспозвоночных: 107-110 лет - на лёссе, 130 лет - на глине келловея при существующих климатических и экологических условиях.
Список использованных источников
1. Указ Президента РФ от 31 декабря 2015 г. № 683 «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации» // Спра-вочно-правовая система Консультант.
2. Бутов И.И., Орлова И.Г. Рекультивация нарушенных земель // Экологический вестник России. - 2016. - № 5. - С. 40-46.
3. Вернадский В.И. Биосфера: Избранные труды по биогеохимии. - М.: Просвещение, 1967. - 367 с.
4. Докучаев В.В. Избранные сочинения: в 3 т. «Русский чернозем». - М.: Сельхозгиз, 1948. - 550 с.
5. Волкова С.Н., Головастикова А.В. Интегральный показатель экологического состояния систем. - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 1997. - 15 с.
6. Чибрик Т.С., Елькин Ю.А. Формирование растительных сообществ на отвалах Коркинского угольного разреза // Растительность в условиях техногенных ландшафтов Урала. СНТ. - Свердловск, 1990. - С. 58-67.
7. Штина Э.А. Почвенные водоросли как экологические индикаторы // Ботанический журнал. - 1990. - № 4. - С. 441-453.
8. Шугалей А.С. Первичное почвообразование на отвалах вскрышных пород / Биологическая рекультивация нарушенных земель. - Екатеринбург, 1996. - С. 170-172.
List of sources used
1. Presidential Decree of December 31, 2015 № 683 "On the Russian Federation National Security Strategy" // Reference legal system consultant.
2. Butov I.I., Orlova I.G. Revegetation of disturbed lands // Ecological herald Russia. - 2016. - № 5. - S. 40-46.
3. Vernadsky V.I. Biosphere: Selected Works on biogeochemistry. - M .: Education, 1967. - 367 p.
4. Dokuchaev V.V. Selected works:. 3 t "Russian black earth". - M .: Sel'khozgiz, 1948. - 550 p.
5. VoIkovа S.N., Golovastikova A.V. Integral indicator of ecological state systems. - Voronezh: Publishing house of Kursk. state. agricultural ak, 1997. - Р. 15.
6. Cibric T.S., Yuri Elkin Formation of plant communities in the coal mine dumps Korkino // Vegetation in terms of man-made landscape of the Urals. SNT. - Sverdlovsk, 1990. - P. 58-67.
7. Shtina E.A. Soil algae as ecological indicators // Botanical Journal. - 1990. - № 4. - S. 441-453.
8. Shugaley A.S. Initial soil formation in the overburden / biological reclamation of disturbed lands. - Ekaterinburg, 1996. - P. 170-172.
