CC BY
49
УДК 622.502 П.В. Пьянников
ОСОБЕННОСТИ НАРУШЕНИЯ И ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ СУКЦЕССИИ БИОТЫ ЭКОСИСТЕМ КРИОЛИТОЗОНЫ ПРИ ОСВОЕНИИ НЕДР
Семинар № 10
Развитие сырьевой базы экономики России в ближней, и тем более, в дальней перспективе очевидно будет связано с эффективным освоением минеральных ресурсов криолитозоны, занимающей более 60 % территории страны. При этом, не менее очевидным является постоянное ужесточение экологических ограничений при строительстве и эксплуатации добывающих предприятий и рекультивации нарушенных территорий, неизбежно связанных с дополнительными затратами.
На современном уровне развития геотехнологии и морали это вечное противоречие между экономикой и экологией является практически неразрешимым. Однако существенно смягчить его действие вполне возможно при построении взаимодействия объектов техно- и биосферы на основе принципа коэволюции антагонистических систем, когда уровень неизбежного техногенного воздействия на биоту находится в пределах диапазона толерантности её структурообразующих элементов [1]. В этом случае восстановление биологического потенциала земель, нарушенных в результате техногенного воздействия, происходит естественным путем, за счёт реализации способностей живого вещества биосферы к регенерации и выполнению средообразующих функций.
Криолитозона - часть территории страны, где среднегодовая температура ниже нуля. Применительно к проблеме освоения недр это означает, что разрабатываемые месторождения находятся в многолетнемерзлых породах, мощность которых достигает 300-400 метров. Это обстоятельство оказывает решающее влияние как на выбор геотехнологии и характер воздействия на биоту, так и на способности этой биоты к самовосстановлению.
Т иповая структура техногенного воздействия на природную среду при подземной разработке месторождений показана на рис. 1 и 2.
Из рисунков видно, что техногенное воздействие горного производства имеет достаточно сложную внутреннюю структуру и включает в себя все виды поражения элементов биоты, вплоть до полного её уничтожения.
Биом криолитозоны включает в себя такие зональные биомы, как арктические пустыни, тундры, тайгу и горные территории с высотной дифференциацией экосистем. Все они кардинально отличаются друг от друга по составу биоты, но имеют одинаковую функциональную структуру (рис. 3), с определяющей ролью фитоценоза [1]. Растительные сообщества способны к самовосстановлению и
Рис. 1. Структура техногенных экологических факторов при освоении недр
выполняют свои средообразующие функции на всех этапах этого процесса. Вместе с тем, восстановительная сукцессия растительности (демутация) на техногенно нарушенных землях обладает географической определённостью и меняется с переходом из ландшафтов одной природной зоны в другую.
В общем плане, взаимодействие техно и биосферы происходит в глобальном, региональном и местном (топологическом) масштабе. Но, несмотря на значительную значимость региональных и глобальных проблем, ключ к их пониманию и возможности решения лежат на топологическом уровне. Ему соответствуют: в биогеографии - биотипы и биоценозы (биогеоценозы); в физической географии
- морфологические единицы ландшафта; в социально-производственной сфере - природные угодья и объекты хозяйственного назначения. Отсюда следует, что оценка естественных и антропогенных сукцессий растительности и ход самовосстановления фитоценозов, после прекращения техногенного воздействия, требуют ландшафтно-экологического подхода [2].
Астрономической границей холодного пояса, где формируются биомы полярных пустынь и тундр, является полярный круг. Формирование тундровых биомов определяется суровыми климатическими условиями. В связи с низкими температурами испаряемость низкая, что приводит, несмотря на небольшое количество осадков (300-400 мм в год), к избыточному
Рис. 2. Структура вторичных техногенных экологических факторов
увлажнению, заболачиванию и образованию многочисленных бессточных озер. Недостаток тепла и избыток влаги, мерзлота, низкая ёмкость биологического круговорота, небольшое количество растительного опада, его замедленная гумификация и минерализация - все это определяет главные особенности геохимических процессов и почвообразования.
Тундровые биоты разных регионов близки между собой и характеризуются молодостью и бедностью видового состава. Растения тундр имеют низкую интенсивность фотосинтеза, медленное накопление биомассы и малую энергию роста. Наличие в тундре многолетней мерзлоты - важнейший фактор, сдерживающий техногенное освоение территорий. Расти-
тельная дернина, в том числе моховой покров и торфяной слой, являются хорошим естественным теплоизолято-ром. Разрушение этого слоя способствует таянию подземных льдов, образованию просадок и провалов. Поэтому необходимо исключительно бережное отношение к почвеннорастительному покрову. Достаточно гусеничному транспорту проехать по тундре и разрушить мох, чтобы вскоре следы от гусениц превратились в канаву, а затем и в глубокую промоину. Расширенная грунтовая площадка через несколько лет может стать провальным озером.
Попадающие в грунт нефтепродукты разлагаются очень плохо. Низкие температуры и незначительное содержание кислорода в почве способствуют
Рис. 3. Схема взаимодействия элементов природныгх экосистем
длительному сохранению нефтяного загрязнения. Самоочищения в крио-литозоне практически нет. Растительность является чутким индикатором общего состояния тундровых экосистем. Восстановление экологического потенциала тундровых ландшафтов полностью определяется процессами демутации растительного покрова.
В результате хозяйственной деятельности происходит также синан-тропизация локальных флор Севера. В первую очередь этот процесс связан с увеличением во флорах числа рудеральных синантропных видов, что происходит как за счет заноса рудеральных видов с юга, так и переселения части аборигенных видов на антропогенные пустоши. Ядро аборигенной части синантропных флор образуют виды неплакорных местооби-
таний, приуроченные в естественных условиях к эродированным, слабо задернованным участкам - береговым обнажениям, речным и озерным отложениям, осыпным сколам и т.п. Такие виды называются апофитами. В антропогенно-нарушенных местообитаниях может расти от 40 до 60 % видов-апофитов, причем подчас обилие и жизненность растений здесь выше, чем в естественных экотопах.
Несмотря на существенные компенсационные возможности природной флоры, она несет значительные потери, невозместимые увеличением разнообразия антропофитов. Систематическая и географическая структура флоры ведет к ослаблению ее зональных черт, поскольку зарастание свободных субстратов происходит с участием немногих широко распространенных рудеральных видов.
Под влиянием человека доминанты типичных тундровых сообществ снижают обилие и исчезают. В то же время происходит увеличение обилия и видового разнообразия злаков, этот процесс называют «озлакомлением» или «олуговением» тундры.
Видовой состав сообществ антропогенных местообитаний значительно отличается от состава естественных сообществ. Иногда антропогенные сообщества могут быть даже одно или мало видовыми, что крайне редко встречается в естественных экотопах. Пространственная (вертикальная и горизонтальная) структура растительного покрова также меняется. Уменьшается совокупность, общее проективное покрытие растительности на сильно нарушенных участках может быть менее 10 %, тогда как в естественных сообществах тундр сомкнутость варьируется от 50 до 90-100. Ярусы плохо выражены, некоторые ярусы вообще отсутствуют (неполный набор ярусов). В результате происходит «унификация» растительного покрова: физиономически антропогенные сообщества в различных районах Крайнего Севера незначительно отличаются друг от друга.
Процессы демутации тундровой растительности зависят от характера антропогенного воздействия. Сильные нарушения значительно снижают темпы восстановления растительного покрова. При этом уменьшаются площади, занятые производными сообществами; уменьшается общее покрытие почвы растительностью; увеличиваются различия между производными и исходными ценозами по видовому составу и спектрам жизненных форм. Если для первых стадий восстановления растительности характерно преобладание политрихо-вых мхов и многолетних трав (корневищных гемикриптофитов и крипто-
фитов), то в составе производных сообществ на более поздних стадиях преобладают виды, типичные для коренных ценозов. Таким образом, в тундровой зоне в процессах демутации участвуют виды местной флоры, а не заносные виды, что повышает самоценность биоразнообразия тундровой флоры.
Основные тенденции и стадии восстановления растительного покрова после нарушения в разных подзонах тундровой зоны выявлены и подробно проанализированы в работе [2]. Показано, что наиболее быстро антропогенные сукцессии протекают на заболоченных территориях и в поймах. В этом случае продолжительность демутации составляет обычно 10-20 лет.
В целом, согласно исследованиям, выполненным авторами работы [2], несмотря на суровые условия, тундровая растительность обладает определенной потенцией к демутации и восстановлению экологического потенциала ландшафтов. При этом, главным фактором, регулирующим уровень этого потенциала для территорий, нарушенных горными работами, является размер площади полного поражения биоты. Величина зон дистанционного загрязнения биоты различными поллютантами имеет очень малое влияние на интенсивность де-мутационных процессов из-за упомянутых выше особенностей климата и строения фитоценоза биоты.
Основная площадь биома криолито-зоны занята зональным биомом тайги.
Таежная (бореальная) зона располагается на севере умеренного пояса. Здесь наиболее четко выражены все четыре сезона времени года. Средняя температура самых холодных месяцев от -7 до -40 °С; самых теплых 12-19 °С. Зимы суровые, особенно в Восточной Сибири, где
располагается полюс холода Северного полушария.
Максимумы осадков в теплый период года, но зимой выпадает много снега. Испаряется 50-70 % осадков. Избыток влаги стекает в полноводные реки, пополняет грунтовые воды, способствует образованию болот.
Зима в таежной зоне более морозная и более снежная, чем в зоне тундр. Снежный покров играет защитную роль. Под мощным слоем снега почва сохраняет тепло и часто не полностью промерзает. Благодаря теплоизоляционным свойствам снега растения, а также многие животные хорошо переносят морозы.
Типичным проявлением таежного типа растительности является тёмнохвойная тайга - тенистый вечнозеленый лес, представляющий собой яркий пример олигодоминантной, бедной по видовому составу растительности. В классической области своего развития - Западной и Средней Сибири - она образована различными сочетаниями ели, пихты, сибирского кедра и лиственницы.
Типичной тёмнохвойной тайге
свойственна не только олигодоминантность древостоя, но и бедность состава таёжной флоры. С ограниченностью видового состава гармонирует общая скудость растительного покрова, расположенного под пологом леса. Если древостой тайги поражает нас интенсивностью своего развития, значительностью растительной массы, сосредоточенной в верхнем ярусе, то растения, живущие под пологом тёмнохвойного леса, образуют в совокупности лишь ничтожную часть биомассы. Отмечается зависимость растений от тайги как среды обитания. Существование многих видов почти неотделимо от темнохвойного леса. Обитая под его пологом, они практически не встречаются в
других типах растительности. С другой стороны, растения нетаёжных фитоценозов проникают под полог тайги также весьма ограниченно.
Говоря о главнейших чертах таёжной флоры, следует обратить особое внимание на значительное влияние вечнозеленых растений в ее составе -это не только хвойные деревья, но и вечнозеленые кустарники и мхи.
В связи с расширением геологоразведочных работ, добычей полезных ископаемых, даже в труднодоступных местах таёжные ландшафты стали страдать от хозяйственной деятельности.
Изменения структуры и функционирования лесных экосистем происходит по градиентному ряду, отражающему степень и продолжительность воздействия человека на экосистемы. Условно можно выделить пять основных стадий техногенной дигрессии.
1. Воздействие на экосистему минимальное, не нарушающее ее структуру. Подстилка не нарушена. Подрост многочисленный, разновозрастный.
2. Воздействие слабое. Нарушения занимают не более 5 % площади. Подстилка слабо нарушена. Начало проникновения опушечных видов трав под полог.
3. Воздействие умеренное. Нарушения занимают до 10-15 % площади. Подстилка сильно нарушена. Значительно уменьшена её мощность. Наблюдается увеличение освещенности в связи с изреживанием верхнего полога, подроста и подлеска, а также внедрение луговых и сорных видов трав.
4. Воздействие интенсивное. Лесная экосистема преобразуется в кур-тинно-полянный комплекс, в котором сочетаются лесные и луговые участки. Выбитые участки занимают до 60 % площади.
5. Разрушение лесной экосистемы. Нарушенные участки занимают 60100 % площади. Сохранившиеся деревья больные или с механическими повреждениями. Подрост почти полностью отсутствует. В надземном ярусе встречаются фрагментами сорные и однолетние виды.
Коренные таёжные леса обладают высокой потенцией самосохранения и возобновления. При умеренных выборочных рубках ускоряется естественное возобновление, улучшаются условия развития мелколиственных пород.
Однако возможности реализации этих способностей зависят от характера техногенного воздействия. Применительно к проблеме освоения недр это означает, что при строительстве и эксплуатации добывающих предприятий в таежной зоне направление развития демутационных процессов, после прекращения воздействия в связи с исчерпанием запасов месторождения, определяется степенью поражения видов эдификаторной синузии (лесообразующих видов). В работе [1] было показано, что точка бифуркации восстановительной сук-
1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. М., Научтехиздат, 2003. 261 с.
цессии соответствует сокращению плотности эдификаторных видов на 50-60 %, независимо от причин этого сокращения. При формировании природно-технических систем освоения недр наиболее значимыми экологическими факторами для био-ма тайги являются размер площадей полного уничтожения биоты и пылевого загрязнения, особенно при преобладании активной минеральной пыли.
Г еологическая предопределён-
ность выбора места строительства горно-добывающих предприятий делает неизбежным разрушение участков естественной биоты Земли при интенсификации развития минерально-сырьевого комплекса. Так как срок существования этих предприятий всегда лимитирован исчерпаемостью запасов месторождения, то размеры и форма участков полного поражения биоты экосистем, а также характер и интенсивность её техногенных изменений в прилегающих зонах не должны препятствовать процессам естественного самовосстановления первичной биоты в постэксплуатационный период.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Зональные типы биомов России: антропогенные нарушения и естественные процессы восстановления экологического потенциала ландшафтов. Коллектив авторов. Под ред. докт. геогр. наук., проф. К.М. Петрова, СПб, 2003, 246 с. ШИН
— Коротко об авторах-----------------------
Пьянников П.Б. - горный инженер, ИПКОН РАН.
