CC BY
54
УДК 622.271.3:581.5
И.П. Беланов1, А.М. Шипилова2 1Институт почвоведения и агрохимии СО РАН (г. Новосибирск)
2Сибирский государственный индустриальный университет
ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТРАВЯНЫХ ЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА (НА ПРИМЕРЕ КУЗБАССА)*
В настоящее время проблема трансформации экосистем, а в частности их основных компонентов - почвенного и растительного покрова, в связи с активной хозяйственной деятельностью человека приобретает глобальный характер. Одним из регионов с наиболее яркими проявлениями экологического кризиса, затронувшего все аспекты природопользования, выступает Кузбасс. В настоящее время на территории Кемеровской области находится более 40 предприятий, ведущих добычу угля открытым способом. Их деятельность привела к деградации не менее 70 % почвенного покрова земледельческой части региона, около 100 тыс. га уничтожено полностью [1, 2].
Влияние техногенных ландшафтов на прилегающие естественные территории многопланово: термическое, геохимическое, гидрологическое и т.п. Прессинг со стороны техногенных объектов может полностью трансформировать экосистему [3]. Причинами изменения выступают абиотические факторы, к которым относятся климатические (свет, тепло, осадки, влажность воздуха и др.), эдафические (гранулометрический состав, физико-химические свойства почв) и топографические (условия рельефа) [4]. В связи с этим естественные экосистемы подвержены сильному преобразованию. Исследования такого рода чрезвычайно актуальны как с точки зрения региональной специфичности такого промышленно-развитого региона, как Кузбасс, так и масштабности экологических последствий для всей Западной Сибири.
Исходя из этого рассмотрим функционирование травяных экосистем, приуроченных к различным участкам природно-техногенных комплексов в зависимости от их почвенноэкологического состояния.
В качестве объектов наблюдения были выбраны отвалы вскрышных и вмещающих пород «Северный» (угольный разрез «Бачат-ский») и «Центральный» (разрез «Шестаки»), а
Работа выполнена по государственному заданию Минобрнауки, регистрационный номер 548922011.
также прилегающие к ним ландшафты естественных угодий. Отвалы обладают примерно одинаковыми площадью (около 3,7 км2), высотой относительно естественного рельефа (около 60 м), углом откосов (45 - 50°) и сформированы сходными по составу породами (песчаники, алевролиты, аргиллиты). Эта территория относится в зональном отношении к южной лесостепи Кузнецкой котловины [5]. Участки наблюдения расположены по трансекте с юго-запада на северо-восток, что связано с преобладанием (до 49,8 % в год) юго-западных ветров [6]. Ключевые участки юго-западной тран-секты приурочены к склону отвала «Северный» этой же ориентации и расположены у его подножия на удалении 50, 200 и 500 м. Участки северо-восточной трансекты приурочены к отвалу «Центральный» и расположены у его подножия, а также на удалении 120 и 600 м. Объективность выбора этих участков обусловлена проведенными регонсцировочными исследованиями [7]. Контрольный участок находится в стороне от воздействия техногенных ландшафтов на удалении около 30 км на юго-восток. Почвенный покров техногенных ландшафтов представлен эмбриоземами инициальными, органо-аккумулятивными, дерновыми, гумусово-аккумулятивными и техноземом гумусогенным; естественных ландшафтов - черноземами выщелоченными и черноземнолуговыми почвами (у северо-восточного подножия отвала «Центральный»).
Описание и учет фитомассы на объектах исследования проводился общепринятыми методами [4].
Согласно ботанико-географическому районированию, территория исследования относится к центральному лесостепному району Кузнецкой котловины [5] и является наиболее остепененной частью с небольшими по площади и редко разбросанными березовыми колками [8].
Описывая растительность плоских, слабоволнистых и хорошо дренированных равнин Кузнецкой котловины, А.В. Куминова [9] отмечает фрагментарное распределение целин-
ных ассоциаций ковыльно-разнотравных степей с доминированием ковыля перистого, типчака, тонконога. Также в травостое участвуют люцерна серповидная, зопник клубненосный, эспарцет песчаный, полынь сизая.
Среди мезофильного ряда луговых степей доминантами являются прострел, скабиоза бледно-желтая, лабазник обыкновенный, клубника, стародубка волжская. Из злаков преобладают тимофеевка степная, мятлик узколистный, зубровка душистая. Проективное покрытие при этом может достигать 100 % [9].
Доля лесных формаций в растительном покрове описываемого ботанико-географического района ничтожна и преимущественно представлена березовыми колками на макросклонах северных экспозиций либо сетью искусственно созданных лесополос в связи с интенсивным развитием сельскохозяйственного производства [8].
Приведем геоботаническое описание исследуемых участков.
Луг расположен у юго-западного подножия отвала «Северный», находится в зоне максимальной нагрузки со стороны отвала. Древесный, кустарниковый ярусы и подлесок отсутствуют. Общее проективное покрытие (ОПП) травяно-кустарничкового яруса составляет около 70 % и представлено полынно-мятли-ково-разнотравной ассоциацией (1-й и 2-й ярусы). Среднее число видов на 100 м2 составляет 32. Наиболее встречаемые из семейства Asteraceae: полынь обыкновенная - 10 - 25 %, полынь сизая - 5 - 10 %, тысячелистник обыкновенный - 5 - 10 %. В травостое также участвуют мятлик узколистный, подмаренник настоящий, лапчатка длиннолистная, василисник малый и т.д. Эта растительная группировка относится к ксеромезофитной экогруппе и характерна для степного эколого-фитоценоти-ческого типа.
Луг расположен в 50 м на юго-запад от отвала «Северный». Древесный, кустарниковый ярусы и подлесок отсутствуют. Травяно-кустарничковый ярус сформирован бобово-злаково-разнотравной ассоциацией (ОПП -100 %). Среднее число видов на 100 м2 - 33. Первый ярус представлен кострецом сибирским, овсяницей ложноовечьей, остролодочником колокольчатым, василисником малым; второй ярус - донником лекарственным, горошком мышиным, мятликом узколистным, тысячелистником обыкновенным, подмаренником настоящим. Таким образом, ключевой участок, расположенный на удалении 50 м, характеризуется ксеромезофитными и мезо-ксерофитными экогруппами растений и отно-
сится к лугово-степному эколого-фитоцено-тическому типу.
Участки, расположенные в 200 и 500 м от отвала «Северный» в юго-западном направлении, представлены сходными фитоценозами. Древесный, кустарниковый ярусы и подлесок отсутствуют. Травяно-кустарничковый ярус состоит из злаково-разнотравной ассоциации. Общее проективное покрытие составляет 100 %, травостой невысокий: средняя высота 50 см, максимальная 80 см. Среднее число видов на 100 м2 - 30. Обилен кострец сибирский (10 - 25 % от ОПП), мятлик луговой, мятлик узколистный (5 - 10 %). Разнотравье представлено володушкой двустебельной, полынью обыкновенной, полынью сизой, тысячелистником обыкновенным, подмаренником настоящим. Из бобовых присутствуют горошек мышиный, эспарцет песчаный, остролодочник колокольчатый. Этот участок характеризуется лугово-степным эколого-фитоценотическим типом с мезоксерофитной экогруппой растений.
Луг приурочен к северо-восточному подножию отвала «Центральный». Наблюдаются признаки длительного застоя влаги. Древесный, кустарниковый ярусы и подлесок отсутствуют. Травяно-кустарничковый ярус представлен вейниково-злаково-разнотравной ассоциацией. Общее проективное покрытие - 100 %, травостой высокий: средняя высота 80 см, максимальная 150 см. Среднее число видов на 100 м2 составляет 31. Первый ярус образован лабазником обыкновенным, кровохлебкой лекарственной, володушкой двустебельной, реже встречается вейник наземный. Второй ярус сомкнутый и представлен мятликом обыкновенным, полынью сизой, тысячелистником обыкновенным, вероникой колосистой и т.д. Следовательно, наиболее встречаемые виды растений относятся к мезофитам (54 %) или мезогигрофитам (32 %) и характерны для лесо-лугового, либо луговоболотного типа фитоценозов.
Луг расположен в 120 м от отвала в северовосточном направлении. Древесный, кустарниковый ярусы и подлесок отсутствуют, как и в предыдущих случаях. Преобладающим фитоценозом травяно-кустарничкового яруса (присутствуют 1-й, 2-й и 3-й подъярусы) является разнотравно-злаково-бобовый, при этом обилие того или иного вида не превышает 10 % (ОПП - 100 %). Среднее число видов на 100 м2 составляют 38. Наиболее часто встречаются ястребинка ядовитая, василисник малый, тысячелистник обыкновенный, подмаренник настоящий, овсяница ложноовечья, кострец сибирский, остролодочник колокольчатый, эспарцет песчаный. Этот участок ха-
рактеризуется смешанными фитоценозами, присущими одновременно как луговостепному (с мезоксерофитной экогруппой), так и лесо-луговому (с мезофитной экогруппой) эколого-фитоценотическому типам.
Остепненный луг расположен в 600 м на северо-восток от отвала «Центральный». Древесный и кустарниковый ярусы отсутствуют, травяно-кустарничковый ярус представлен кострецово-разнотравной ассоциацией с признаками изреженности травостоя (ОПП -80 %), средняя высота 40 см, максимальная -100 см (1-й ярус). Среднее число видов на 100 м2 - 13. Первый ярус фрагментарен. Он представлен кострецом безостым, второй -злаками: мятликом луговым, мятликом узколистным, пыреем ползучим и астровыми -тысячелистником обыкновенным, полынью сизой и др. Данный фитоценоз сформирован мезоксерофитной экогруппой растений и характерен для залежного либо лугово-степного эколого-фитоценотического типа.
Таким образом, на участках естественных экосистем в результате различной степени воздействия со стороны техногенных объектов формируются индивидуальные функциональные экогруппы растений. Данное явление сложившихся комбинаций обусловлено такими факторами, как изменение природно-климатических условий, а также функционирование почвы как сложной, самостоятельной подсистемы природно-техногенных комплексов. На трансформацию условий травяные фитоценозы отвечают не только изменением видового состава, но и величиной продуктивности [10].
Запас растительного вещества фитоценозов является важнейшей характеристикой экосистемы. Как известно, травяные экосистемы распределены в двух сферах - надземной (зеленая фитомасса ^), ветошь (П), подстилка (¿)) и подземной (живые (К) и мертвые (V) подземные органы растений) [4]. Запасы живого надземного вещества и живых корней ^ и К) на различных удалениях от отвалов, а также их отношение К0.50:Gmax представлены в таблице. Растительное вещество отбиралось в период максимального развития травостоя.
Запас зеленой фитомассы на территории юго-западной трансекты увеличивается по мере удаления от отвала и меняется от т = 213 до т = 326 г/м2 (среднее за 2009 - 2010 гг.). Тем не менее, на удалении 200 м в 2009 г., по отношению к последующему 2010 г., наблюдается максимум накопления фитомассы, что связано с увеличением на 68 % в составе травостоя бобовых. Судя по составляющей каждого участка, основная часть в формировании жи-
вой надземной биомассы приходится на злаки, которые являются доминантами. В то же время, степные виды злаков, участвующие в травостое, - малопродуктивны (у подножия отвала «Северный»), и увеличение фитомассы на иссушенных участках происходит за счет разнотравья, сформированного полынью и тысячелистником. Запас живых подземных органов в слое 0 - 50 см меняется от 3082 до 1965 г/м2 (среднее за 2009 - 2010 гг.) с минимумом на удалении 200 м и максимумом у юго-западного подножия отвала. Увеличение количества живых корней растений на стрессорном участке у подножия вызвано низким запасом продуктивной влаги и высокими внутрипочвен-ными температурами. Подобная зависимость была показана в работах Н.Г. Шатохиной [11, 12]. Соотношение К0.50:Gmax на этом участке составило 13,3 - 15,7 в разные годы.
По мере удаления от склона отвала на 50, 200 и 500 м происходит постепенное снижение количества живых корней в почве: от 2320 до 1965 г/м2. Причиной такого явления выступает различная степень нагрузки со стороны отвала, а также особенности сезонной динамики запасов живых корней функциональных групп, формирующих фитоценоз каждого участка. Так, наибольший запас К в течение вегетации распределяется так: разнотравье - середина июля, злаки -начало августа, бобовые - середина сентября [13, 4]. По этой же причине наблюдается флуктуация между участками, расположенными на удалении 200 и 500 м. В разные годы она варьирует в пределах 16 - 69 г/м2. Стоит также отметить, что в экосистеме мезофитного луга изменение запасов является сглаженным, в отличие от ксеромезо-фитного (участок у подножия отвала), где он может носить выраженный характер за счет доминирующих видов, относящихся к разнотравью. Соотношение запасов подземных живых органов растений к надземным на участках, расположенных на удалении 50, 200 и 500 м, изменяется от 8,1 до 6,2.
На участке северо-восточной трансекты происходит постепенный переход от луговоболотной к степной группе фитоценозов по мере удаления от отвала. Запас зеленой фитомассы на участке у подножия отвала составляет 438 г/м2; запас в основном сформирован за счет злаков (392 г/м2 в 2009 г., 370 г/м2 в 2010 г.). Запас подземных живых органов за двухлетний цикл составил 2038 г/м2 в слое 0 -50 см, при этом 79 % (1620 г/м2) от их общего количества расположено в слое 0 - 20 см. Это минимальное значение для наблюдаемой территории. Причиной тому является складывающийся гидротермический режим: избыточ-
- 43 -
Запасы зеленой фитомассы (С^х) и подземной растительной массы (Л) в 2009, 2010 гг.
Участок Зеленая фитомасса, г/м 2 Подземная живая растительная масса, г/м2, в слое R 0-50- Gmax
бобовые злаки разнотравье общая 0 - 20 см 0 - 50 см
2009 2010 2009 2010 2009 2010 2009 2010 m 2009 2010 2009 2010 m 2009 2010 m
Естественные территории, приуроченные к юго-западной части отвала «Северный»
Подножие 16 24 113 112 94 67 223 203 213 1563 2347 2970 3194 3082 13,3 15,7 14,5
50 м от отвала 102 85 136 87 101 82 339 254 296 1499 2017 2052 2587 2320 6,1 10,2 8,1
200 м от отвала 57 44 246 190 79 46 382 280 331 1324 1706 1890 2039 1965 4,9 7,3 6,1
500 м от отвала 24 20 252 222 68 65 344 307 326 1250 1725 1906 2108 2007 5,5 6,9 6,2
Естественные территории, приуроченные к северо-восточной части отвала «Центральный»
Подножие - - 392 370 50 64 442 434 438 1504 1735 1976 2099 2038 4,5 4,8 4,6
120 м от отвала 38 32 206 179 73 60 317 271 294 1245 1388 1630 1920 1775 5,1 7,1 6,1
600 м от отвала 15 9 182 135 34 19 231 163 197 1352 1780 1787 1989 1888 7,7 12,2 9,9
Естественные территории
Контроль 29 25 371 298 17 8 417 331 374 1788 1787 2276 2086 2181 5,5 6,3 5,9
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1(3),2013
ное увлажнение и более низкие внутрипочвен-ные температуры по отношению к остальной исследуемой территории в течение вегетации. Такие условия способствуют развитию достаточно мощной надземной фитомассы и уменьшению подземной продуктивности. Подобную динамику во влажные и прохладные годы описывала Н.Г. Шатохина1. Соотношение Л0_50 к Gmax составляет 4,6 ± 0,2.
При удаленнии на 120 м от склона отвала происходит снижение надземной (до 294 г/м2) и подземной (до 1775 г/м2) биомассы, хотя в фитоценозе появляются бобовые, доля которых в формировании травостоя 11,9 %. Соотношение Л0_50 : Gmax составляет 6,1, что вполне соответствует зональному типу травянистых экосистем, сформированных при благоприятных условиях (5,8 на контрольном участке).
Далее по трансекте на 600 м наблюдается снижение (до 197 г/м2) надземной фитомассы при незначительном увеличении (до 1888 г/м2) подземной относительно предыдущего участка (294 г/м2 и 1775 г/м2). Это вызвано, на наш взгляд, постоянным действием в течение лета теплых феновых ветров со стороны отвала. Так, в более сухой 2010 г. интенсивность проявления этого явления имеет наиболее выраженный характер по отношению к предыдущему году (разница составляет 1,5 раза). Результатом ежегодной нагрузки такого характера со стороны отвала является общая деградация фитоценоза наблюдаемого участка и снижение плотности травостоя, площадь общего проективного покрытия не превышает 80 %. Соотношение запасов живых органов растений на данном участке составляет 9,9.
Выводы. Динамика формирования и развития растительного покрова в природнотехногенных комплексах находится в прямой зависимости от абиотических факторов, складывающихся в результате функционирования техногенных ландшафтов. Надземные и подземные запасы в экосистемах природнотехногенных комплексов варьируют в зависимости от месторасположения участка по отношению к отвалу и складывающихся условий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А н д р о х а н о в В.А., К у р а ч е в В.М. Почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов: динамика и оценка. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. - 224 с.
*Ш а т о х и н а Н.Г. Продукционный процесс и круговорот азота и зольных элементов в луговых степях и агроценозах пшеницы в Барабе. Автореф. дис. канд. биол. наук. - Томск, 1980. - 19 с.
2. М а л а х о в С.М. Чрезвычайная экологическая ситуация в Кузбассе - возможные пути решения // Труды Междунар. науч.-практ. конф. «Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию». - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 1999. Т.1. С. 120
- 124.
3. Б у з м а к о в С.А., К о с т а р е в С.М. Техногенные изменения компонентов природной среды в нефтедобывающих районах Пермской области. - Пермь: Изд-во ПГУ, 2003. - 171 с.
4. Подземные органы растений в травяных экосистемах / А.А. Титлянова, Н.П. Косых, Н.П. Миронычева-Токарева, И.П. Романова.
- Новосибирск: Наука. СО, 1996. - 128 с.
5. Экологическая карта Кемеровской области. Масштаб 1:500000. - М.: Федеральная служба геодезии и картографии России, 1995.
6. Гигиенические аспекты районной планировки и градостроительства в Кемеровской области. - Новосибирск: Наука, 1978. - 228 с.
7. Ш и п и л о в а А.М., Б е л а н о в И.П., А н д р о х а н о в В.А. Техногенез и экогенез почвенного покрова промышленно развитого региона. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. - 358 с.
8. Т р о ф и м о в С.С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. -Новосибирск: Наука. СО, 1975. - 301 с.
9. К у м и н о в а А.В. Растительность Кемеровской области. - Новосибирск: Изд-во Зап.-Сиб. филиала АН СССР, 1950. - 167 с.
10. Т и т л я н о в а А.А., Т е с а р ж о в а М. Режимы биологического круговорота. -Новосибирск: Наука. СО, 1991. - 150 с.
11. Ш а т о х и н а Н.Г. Луговые степи и ос-тепненные луга Западной Сибири, Новосибирская область // Биологическая продуктивность травяных экосистем. - Новосибирск: Наука. СО, 1988. С. 76 - 88.
12. Ш а т о х и н а Н.Г. Настоящая степь Казахстана, Целиноградская область // Биологическая продуктивность травяных экосистем. - Новосибирск: Наука. СО, 1988. С.32 - 42.
13. Ш а л ы т М.С. Подземная часть некоторых луговых, степных и пустынных растений и фитоценозов // Геоботаника. 1950. Сер. 3. Вып. 6. С. 440.
© 2013 г. И.П. Беланов, А.М. Шипилова Поступила 27 августа 2012 г.
