Субстратно-фитоценотические характеристики участков самозарастания и рекультивации карьерно-отвальных комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат наук Дмитракова Янина Александровна

• Дмитракова Янина Александровна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Дмитракова Янина Александровна

Введение

Глава 1. Экологические последствия горнодобывающей деятельности (обзор

литературы)

Глава 2. Природные условия районов и характеристики объектов исследования

2.1. Природные условия Ленинградской и Новгородской областей

2.2. Природные условия Тульской области

2. 3. Объекты исследования

Глава 3. Методы сбора и обработки материала

3.1. Методика сбора материала

3.2. Методика обработки материала

Глава 4. Общая характеристика видового состава растительности на карьерах с

различными грунтами

Глава 5. Оценка разнообразия растений на карьерах с различными субстратами

Глава 6. Почвообразование на карьерах с различными субстратами

6.1. Почвообразование на карбонатных породах

6.2. Почвообразование на песчаных субстратах

6.3. Почвообразование на сульфатно-кислых грунтах

6.4. Почвообразование на отвалах Кингисеппского месторождения фосфоритов

6.5. Гидрофизические характеристики карьерно-отвальных комплексов

6.6. Агрохимические характеристики формирующихся почв и субстратов карьерно-

отвальных комплексов

Глава 7. Содержание микробной биомассы и активность микробных сообществ в условиях посттехногенных экосистем

7.1. Количественный анализ микробного компонента

7.2. Качественный анализ микробного компонента

Глава 8. Оценка эмиссии углекислого газа и стабилизации органического вещества в

почвах посттехногенных экосистем

Глава 9. Применение метода вертикального электрического зондирования для изучения

вертикальной неоднородности почв

Выводы

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Субстратно-фитоценотические характеристики участков самозарастания и рекультивации карьерно-отвальных комплексов»

ВВЕДЕНИЕ

Нарушение почвенно-растительного покрова является серьезной проблемой современности. С каждым годом увеличиваются площади нарушенных земель, так по данным государственного учета, на 1 января 2014 г. на долю техногенных мест обитания в Северо-Западном федеральном округе приходится 121 тыс. га, в Центральном федеральном округе - 171,9 тыс. га, в целом на территории Российской Федерации нарушено более 1200 тыс. га. Согласно приблизительным оценкам, основной причиной образования техногенных территорий является добыча полезных ископаемых - почти 900 тыс. га (Нешатаев и др., 2012). Наиболее опасным является открытый способ разработки, но при этом, экономически, самый дешевый и поэтому самый распространенный способ добычи. Добыча полезных ископаемых имеет ряд негативных последствий: изменение рельефа территории, гидрологического режима, также они влияют на круговорот веществ (Стифеев, Муха, 1996). На дневной поверхности могут оказываться токсичные грунты, загрязняющие окружающие экосистемы (Стифеев, Муха, 1996). Считается, что крупные техногенные ландшафты приводят к изменению климата на локальном уровне, т.е. способны менять местный климат (Михайлова, 1996). Карьеры строительных материалов могут являться дополнительным источником большого количества выбросов углекислого газа в атмосферу. Неоднозначен вопрос о влиянии горнодобывающей деятельности на биоразнообразие, так как одной из причин глобального вымирания является уничтожение мест обитаний.

Учитывая постоянно увеличивающиеся темпы нарушения территорий и широкий спектр негативных последствий добычи, становится очевидной необходимость рекультивации земель. Согласно Федеральному закону от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», все нарушенные земли подлежат рекультивации. Стоит отметить, что доля рекультивированных земель остается крайне низка, рекультивация часто бывает нерентабельна и неэффективна, темпы восстановления ниже, чем скорость нарушения. Можно ли считать рекультивированные земли полностью восстановленными остается спорным вопросом, поскольку, по мнению некоторых авторов (Гаджиев и др., 2001), они не могут выполнять все свои функции без поддержания со стороны человека. При этом некоторые территории можно оставить под самозарастание. Все перечисленное обосновывает необходимость изучения процессов и механизмов первичной сукцессии.

Исследование механизмов восстановления растительных сообществ, так же, как и процессов педогенеза необходимо для научного обоснования проведения рекультивации. Кроме прикладного значения, данные исследования интересны с точки зрения фундаментальной науки, поскольку карьеры строительных материалов являются удобным объектом для изучения первичного почвообразования и освоения растительностью свободных территорий. Карьерно-отвальные комплексы представляют модели инициального педогенеза на различных стадиях становления экосистем.

Восстановление экосистем на карьерно-отвальных комплексах изучало большое количество авторов (Баева и др., 1992; Капелькина, 1993; Махонина, 2003; Сумина, 2011, 2013; Rehounkova and Prach, 2008; Borgegеrd, 1990; Ursic et al., 1997; Cullen et al., 1998; Копцева, 2005; Абакумов и Гагарина, 2006; Нешатаев и др., 2013). В существующих работах, чаще всего, сукцессия растительного покрова и процессы педогенеза рассматриваются отдельно друг от друга. Комплексные исследования восстановления почвенно-растительного покрова и связанного с ними микробиома по-прежнему актуальны.

Цель работы - выявить связь темпов природного и рекультивационного восстановления фитоценозов со свойствами субстрата, а также влияние формирующегося растительного сообщества на характеристики молодых почв. Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Охарактеризовать направленность почвообразовательных процессов на различных субстратах карьерно-отвальных комплексов;

2. Провести анализ видового состава растительных сообществ на карьерах с разными грунтами;

3. Оценить микробиологическую активность почв и биоразнообразие на разных участках карьеров строительных материалов;

4. Выяснить особенности изменения физико-химических и физических свойств грунтов.

Сбор материала проводили в 2014-2017 гг. на территории 9 карьеров с различными субстратами в Ленинградской, Новгородской и Тульской областях. Работа выполнена под руководством проф., д. б. н. Е. В. Абакумова.

Научная новизна. Впервые проведен комплексный анализ почвенного, растительного и почвенного микробиологического компонентов карьерно-отвальных комплексов с различными субстратами. Оценены риски дополнительной эмиссии СО2 в

атмосферу и возможность секвестрации углекислого газа почвами карьеров. Оценен метод вертикального электрического зондирования для изучения неоднородности постехногенных субстратов.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты полезны при планировании современных подходов рекультивации земель, учитывая комплекс факторов. С их помощью возможна оценка экологических последствий при принятии плана на этапе разработки полезных ископаемых, и выборе горнотехнического и биологического этапов рекультивации, а также возможности оставления участка под самозарастание. Предложенную интерпретацию результатов метода вертикального электрического зондирования можно использовать для изучения нарушенных территорий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Эффективность восстановления экосистем в посттехногенных и техногенных местообитаниях карьерно-отвальных комплексов зависит от формирования благоприятных свойств субстрата, определяющего возможность инициации сукцессии. Тренды развития экогенеза определяются сочетаниями субстратных и геоморфологических условий в пределах карьерно-отвальных комплексов.

2. Для почв карьерно-отвальных комплексов характерен низкий уровень интенсивности микробиологических процессов по сравнению с естественными почвами.

3. Для перехода микробоценоза в климаксную стадию, замыкания углеродного цикла и увеличения стабильности экосистем, необходимо восстанавливать определенные группы микроорганизмов, а именно - олиготрофов.

4. Формирование большого количества посттехногенных форм мезорельефа благоприятствует диверсификации биоразнообразия и разнообразия почв и соответствующих эдафических условий.

5. В условиях карьерно-отвальных комплексов для выявления неоднородности сложения почвенного профиля является эффективным метод вертикального электрического зондирования. Однако, из-за сложного внутреннего рельефа посттехногенных территорий часто наблюдаются аномально высокие значения кажущегося электрического сопротивления.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты и положения работы были представлены на семинарах кафедры прикладной экологии СПбГУ; на международной научно-технической конференции преподавателей, студентов, аспирантов и докторантов «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (СПб 2014); на X молодежной экологической школе-конференции «Рациональное использование природных ресурсов и проблемы сохранения 5

биоразнообразия» (СПб 2015); на международной научной конференции «Природно-техногенные комплексы: современное состояние и перспективы восстановления сборник материалов международной» (Новосибирск, 2016); на VII съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Белгород, 2016); на II Научно-практическом семинаре для стипендиатов Фонда имени В.И. Вернадского «Актуальные научные исследования в сфере управления природопользованием и экологической безопасности»; на 6 молодежном экологическом конгрессе «Северная пальмира» (СПб, 2017); на Всероссийской научной конференции «Агроэкосистемы в естественных и регулируемых условиях: от теоретической модели к практике прецизионного управления» (СПб, 2017); на 1-ом Российском Микробиологическом Конгрессе (Пущино, 2017); на 9-й международной конференции «Biodiversity research» (Daugavpils, Латвия, 2017); на международных экологических конференциях «University Alliance for Sustainability» (Berlin, Германия, 2016, 2017); на международном конгрессе SUITMA 9 (Москва, 2017); на 7-ой международной конференции ИЮПАК по зеленой химии (Москва, 2017).

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) Негативные последствия разработки полезных ископаемых

Масштабы человеческой деятельности настолько глобальны, что в настоящее время более 40% земной поверхности относится к категории нарушенных земель (Daily 1995), соответственно естественная продуктивность и стабильность данных территорий значительно сокращена или полностью уничтожена (Vitousek et al. 1986). Конечно, не все нарушенные земли образуются в результате добычи полезных ископаемых, однако её последствия, как правило, на много тяжелее, чем после других нарушений, кроме того масштабы добычи постоянно растут (Walker, Willig 1999). По некоторым данным горнодобывающая деятельность развивается быстрее других отраслей индустрии почти в 1,5-2 раза (Андроханов и др., 2000). Таким образом, объемы добычи каждые 8-10 лет увеличиваются вдвое. Наиболее опасным является открытый способ разработки, который также является наиболее дешевым и удобным способом добычи, вследствие этого 75 % всех полезных ископаемых добывается открытым способом. Добыча полезных ископаемых уже давно рассматривается как глобальный экзогенный процесс, стоящий в одном ряду с такими явлениями как денудация, выветривание и аккумуляция осадочных пород (Герасимова и др., 2003).

Формирование техногенных местообитаний приводит к огромным негативным последствиям, значительно ухудшая состояние окружающих экосистем. Карьерный способ разработки способствует резкому загрязнению воздуха и воды, изменению биогеохимических циклов, физических свойств субстрата (так, например, изменение альбедо приводит к сильному нагреванию поверхности) (Claussen et al., 2001). Карьерно-отвальные комплексы являются огромным источником выделения дополнительных количеств СО2 в атмосферу, в результате чего горнодобывающая деятельность способна усиливать темпы глобального изменения климата. При полном уничтожении почвенно-растительного покрова теряется большое количество местообитаний, что создает угрозу для биоразнообразия, резкое сокращение которого является причиной глобального экологического кризиса. Довольно часто на местах отработанных карьеров формируются незаконные свалки, что дополнительно ухудшает экологические и эстетические условия окружающей среды.

Последствия горнодобывающей деятельности сводятся к прямому нарушению естественных экосистем, которые могут достигать огромных масштабов, так, например, согласно литературным данным, добыча фосфатов на небольшом тихоокеанском острове Науру привела к уничтожению 80% почвенно-растительного покрова острова. Даже 7

теоретическое восстановление данной территории являлось экстремально сложной задачей (Anderson 1992; Gowdy and McDaniel 1999). Кроме прямых нарушений, отвалы карьеров могут вызывать масштабное загрязнение окружающих ландшафтов. Так, золотые и медные рудники в Новой Гвинее являются причиной попадания в ближайшие реки более 60 Мт токсичных веществ (Allan 1995; Anderson 1996). В результате разработки промышленных карьеров на юге Испании в реки Аргио поступило 4,5 х 106 м3 пиритосодержащего вещества, что привело к загрязнению более 4000 га земли и поставило под угрозу крупнейший европейский заповедник - национальный парк Доньяна (Sassoon 1998; Cabrara et al. 1999). Драматический случай на карьере в Румынии стал причиной попадания в реки, а затем и в Черное море 100 т цианида, что повлекло за собой массовую гибель речной биоты (UNEP/OCHA 2000). Не стоит забывать и о загрязнении воздуха происходящем, как при разработке полезных ископаемых, так и пылении токсичных отвалов; несмотря на то, что эти процессы сложнее поддаются оценке, их эффекты так же могут достигать значительных масштабов (Hutchinson and Whitby 1974; Ripley et al. 1996; Dudka and Adriano 1997; He et al. 1998). В результате разработки часто образуются огромные депрессионные воронки, что приводит к полному изменению рельефа территории и изменению гидрологического режима местности (Стифеев, Муха, 1996). Сложно оценить существующее воздействие от проведения ежедневных взрывных работ на территории карьеров, которое является причиной значительного шумового и пылевого загрязнений.

Цели рекультивации

По данным государственного статистического учета, площадь нарушенных земель в РФ составила более 1 миллиона га: в Северо-Западном ФО более 121 тыс. га, в Центральном округе - 172 тыс. га. Согласно Федеральному закону от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», все нарушенные земли подлежат рекультивации, однако доля рекультивированных земель остается крайне низка: на уровне страны - 6 %, в округах по 1 %. Процессы восстановления экосистем усложняются по ряду причин. Часто затруднения вызваны не только дороговизной рекультивационных работ, но и большим количеством лимитирующих факторов. Трудности начинаются с этапа планирования, поскольку до сих пор нет однозначной схемы, позволяющей устанавливать цели восстановления и оценивать успех проведенных мероприятий. Рекультивация нарушенных земель, а в частности - отработанных промышленных карьеров, может рассматриваться как восстановление экосистем, особое внимание при этом, как правило, уделяют почвенно-растительному покрову. При составлении плана рекультивации наиболее важным является грамотная постановка целей и задач, а также четкое 8

определение критериев успеха рекультивации. Интересно, что в настоящее время процессы восстановления почвенно-растительного покрова на карьерах достаточно подробно изучены различными авторами. Однако довольно мало мониторинговых исследований, посвященных наблюдению за различными направлениями рекультивации, кроме того довольно остро стоит вопрос о критериях успешности рекультивации.

Оценка успеха проведенных работ, постановка целей восстановления и мониторинг сукцессии экосистем тесно связаны между собой (Dierssen, 1994). Задачи экологической рекультивации могут быть определены в терминах растительных сообществ, конкретных видов животных или растений; также могут применяться другие параметры сообществ, такие как биомасса, структура растительного сообщества, мозаичность, проективное покрытие и другие. Используются и абиотические характеристики местообитания, но чаще всего, для того, чтобы на нарушенной территории смогли поселиться целевые виды, появление которых будет означать успех рекультивации.

Установление целей рекультивации и последующий мониторинг восстановления земель - ценные мероприятия, как для исследователей, так и для природопользователей. В практике, можно встретить 2 типа целей: первый тип - это экологические, примеры которых упомянуты ранее, такие задачи нуждаются в мониторинге и предполагается, что они поддаются оценке. Другой тип целей, как например, восстановление естественных процессов, улучшение качества почвы - это неоспоримо важные задачи, однако без конкретных шкал оценки они сложно поддаются мониторингу и их нельзя использовать в качестве критериев и мишеней рекультивации. Важно понимать, что пока не установлены цели, нет возможности оценивать успех проведенных работ.

В случаях, когда при составлении плана рекультивации руководствуются экологическими принципами, проект направлен на создание экосистем, подобных тем, которые существовали до горнодобывающей деятельности и повышение их устойчивости, чаще говорят о восстановлении (restoration). Рекультивация или восстановление - это всегда процесс, причем нужно признать, что он не регулируется каким-либо единым и универсальным законом (Miles, 1987), довольно сложно предсказать направление развития сообществ, а также определить, как саму конечную точку развития, так и её стабильность (Glenn-Lewin and van der Maarel, 1992). Неопределенность в планировании работ по рекультивации довольно сложно преодолеть, до сих пор остро стоит вопрос: «Что считать за эталонную модель сообщества?». При этом нужно учитывать, что это не конечная стабильная цель, а скорее движущееся, изменяющееся во времени сообщество, что еще более усложняет задачу (Jackson et al. 1995; Webb 1996).

В последнее время популярной целью рекультивации является высокий уровень биологического разнообразия. С одной стороны, это весьма актуальный вопрос, поддающийся измерению, однако, было выявлено, что в зависимости от богатства почв, разнообразие растительных сообществ может меняться прямо противоположно разнообразию почвенной фауны (Веккег et al., 1998). Справедливо вытекает вопрос - что считать эталоном? Видовое богатство или видовое разнообразие, само по себе не является подходящей целью, поскольку лучше всего использовать целевое сообщество, так как естественные природные сообщества, по сравнению с нарушенными могут отличаться пониженным разнообразием.

Целевое сообщество является очень удобной моделью для мониторинга и хорошо подходит в качестве цели рекультивации. Так, например, в Нидерландах разработана концепция целевых сообществ для всей страны. Стоит отметить, здесь имеются свои сложности: дело в том, что фитоценоз в данном случае представляется как нечто постоянное во времени, и не изменяемое; цели устанавливаются на основании геоботанических описаний прошлых лет. Однако, нужно учесть, что и растительные сообщества, и ландшафт несколько раз менялись со времен поселения человека и под его влиянием (Bonn and Poschlod, 1998). В данной ситуации остро встает вопрос о том, что можно считать естественным сообществом. Также в некоторых случаях правомерно заявление о нецелесообразности восстановления на новом ландшафте, подходящем для других специфичных и часто редких сообществ, предшествующего коренного сообщества.

Иногда, в качестве цели используется установление некоторых краснокнижных видов на нарушенной территории. Однако, это довольно сложная задача для мониторинга, поскольку восстановление земель идет очень медленно, трудно предсказать поселение определенных видов, а также на карьерах часто отсутствует семенной банк (Zobel et al. 1998). Оценка успеха восстановления посредством наличия краснокнижных видов была предложена A. Gigon и R. Langenauer (1998). Бывают случаи, когда очень редким видам, стоящим на грани вымирания, подходят строго специфичные условия окружающей среды, не представленные в округе. В таких случаях обнаженные и высоко специфичные участки карьеров строительных материалов оказываются рефугиумами и начинают нести высокую природоохранную ценность.

Растительное сообщество представляет собой гавань для различных видов растений с их специфичными особенностями, такими как срок прорастания и хранения семян, их форма, способ распространения, также форма роста и срок жизни. В связи с этим, были попытки установления спектров с определенными желательными чертами, 10

например, наличие азотфиксирующих симбионтов. Задача природопользователей в таком случае сводится к стремлению установить и поддержать определенную пропорцию данных видов (Bekker et al. 1998). Однако, в результате мы имеем дело с определенными видами и их требованиями к условиям окружающей среды. Для обозначения такого подхода наиболее часто используется термин «ключевые виды», наличие которых свидетельствует об успешности рекультивации. Ключевыми могут быть как краснокнижные и эндемичные виды, так и просто виды-индикаторы определенных условий среды или определенных сообществ. В Германии используется довольно расплывчатое определение целевых видов - это виды или группа видов, чье восстановление или сохранение зафиксировано в качестве цели рекультивации

(Kratochwil, 1989).

Интересный случай применения группы целевых видов известен в Нидерландах. Для восстановления влажных лугов был составлен список с использованием редких, находящихся под охраной видов, а также, типичных представителей луговых экосистем (Schaminee et al. 1996). Это позволило грамотно оценить успех и степень восстановления территории. Довольно часто проводят работы по сбору информации об абиотических условиях среды, затем сопоставляют её с базой данных растительных сообществ, чтобы в конечном итоге установить список целевых видов.

Конечно, основные усилия при проведении рекультивации сводятся к борьбе с эрозией и токсичностью субстратов, восстановлению высоко деградированных участков; важными аспектами являются борьба с инвазивными видами и загрязнением окружающей среды. Отправной точкой большинства программ по рекультивации земель, за последние 30 лет, являлась оценка состояния верхнего слоя почвы (Johnson and Bradshaw 1979; Bradshaw 1983, 1984, 1990). Наличие и качество плодородного слоя определяет скорость и возможность восстановления нарушенных территорий, а также её устойчивость. Как уже указывали, важно понимать рекультивацию как процесс. При определении целей необходимо представлять себе желаемое сообщество восстановления, это должно быть отправной точкой для любого проекта рекультивации, коме того, необходимо представлять себе сроки восстановления (что восстанавливаем и к какому моменту). Цели рекультивации должны быть сформулированы на основе детального знания основных структурных и функциональных характеристик естественных экосистем. В реальных рыночных условиях, план рекультивации является компромиссом между желанием полного восстановления территории и экономическими затратами. Основными критериями оценки плана рекультивации являются: скорость достижения поставленных целей, экономические затраты, устойчивость экосистем в долгосрочных перспективах при 11

отсутствии дальнейшего вмешательства или низкой стоимости управления (Bradshaw 1990). Без соблюдения данных соображений могут быть установлены нереальные цели, как в экологическом, так и в экономическом плане. Создание измеряемых критериев, вытекающих из характеристик экосистем и целей восстановления, для оценки успеха рекультивации является крайне трудной задачей (Johnson and Putwain 1981; Chambers and Wade 1992; Hobbs and Norton 1996). В одной из работ рассматриваются 3 основных принципа успеха, к которым должны стремиться любые работы по рекультивации (Cairns,1993). Первое - это способность к саморегулированию экосистем, где подразумевается, что структурные и функциональные характеристики новых экосистем будут существовать без каких-либо «субсидий» со стороны (удобрений, посадки и т.д.). Во-вторых, цели и задачи рекультивации должны быть установлены до начала работ по восстановлению территорий. В-третьих, не должно быть никаких побочных негативных эффектов для окружающих ландшафтов. Очевидно, что необходимо иметь цели, которые будут однозначными, точными для определения, технически осуществимыми, доступными для измерения и прогнозирования, научнообоснованными, экологически безопасными и социально значимыми (Wyant et al. 1995; Pastorok et al. 1997; Cairns 2000). В настоящее время, в лучшем случае, применяются критерии, связанные с составом, структурой и характером растительности. Так, например, рассматривается количество видов и их обилие, вертикальная структура растительного сообщества, горизонтальная мозаичность сообществ, продуктивность экосистем, смертность, видовое богатство, биомасса, индексы разнообразия, динамика, скорость сукцессии, способность восстанавливаться после небольших возмущений (Hobbs,1999). Существует мнение, что если характеристики структуры сформированных растительных сообществ соответствуют желаемым диапазонам, то функциональные характеристики также будут удовлетворительными (Allen, 1992). Рекультивация земель может быть связана с ускорением сукцессией, отчасти потому, что её цель - пройти ранние фазы развития сообщества, несмотря на то, что восстановление может быть задержано последствиями прошлых нарушений (Aber, 1987; Allen, 1992; Bradshaw, 1990; Luken, 1990; Parker, 1997). При разработке карьеров, восстановление экосистем идет по типу первичной сукцессии, в данном случае все организмы заселяют территорию из окружающих сообществ. Таким образом, одной из целей рекультивации является инициация или запуск естественной колонизации и распространение иммигрантов (Bradshaw, 1984; Harris et al., 1996; Handel, 1997). В настоящий момент взаимодействия внутри сообществ и их смена в зависимости от абиотических факторов среды в ходе сукцессии - это не до конца изученный процесс. Подводя итоги, отметим, что восстановление экосистем на карьерах всегда идет по типу 12

первичной сукцессии, поэтому изучение ее процессов и механизмов является стратегически важным для составления рекомендаций по рекультивации земель (Cairns 1980, 1991; Walker 1992; Bradshaw, 1990). Особенно актуальны исследования, позволяющие разгадать механизмы сукцессии с целью увеличения прогнозируемости развития сообществ.

Первичная сукцессия

Сукцессией принято считать направленное развитие сообщества, в ходе которого происходит смена одних видов другими (Clements, 1916). Данный процесс в первую очередь обусловлен влиянием организмов на окружающую среду. В ходе жизнедеятельности, организмы уделяют предпочтение определенной группе веществ, постепенно истощая их запасы, взамен они выделяют другие, которые накапливаются в среде, при этом химические параметры окружающей территории изменяются, из-за чего она становится неблагоприятной для существования нынешнего сообщества, в последствии его сменяет другое. По мнению В. Н. Сукачева длительное существование биогеоценоза без изменений возможно лишь тогда, когда одни виды способны полностью компенсировать изменения в среде вызванное другими видами. Одним из примеров является демутационная сукцессия, т.е. восстановление коренного типа растительности, там, где она была уничтожена. Демутационные сукцессии, как правило, происходят на сельскохозяйственных территориях, в условиях карьерно-отваьных комплексов, такие смены часто затруднены или невозможны. В настоящий момент существует множество классификаций сукцессии по разным параметрам, одна из них - деление на первичную и вторичную сукцессию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дмитракова Янина Александровна, 2019 год

З - - -

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений в Новгородской области и карьер по добыче кембрийских глин расположены в Мстинском районе. Эта территория включает в себя значительную часть Тихвинской гряды, низменность Молого-Судской равнины, а также возвышенные ландшафты Карбонового плато. Растительные сообщества здесь разнообразны: в долинах рек распространены широколиственные леса с участием дуба (Бобров, 1927), на дренированных почвах произрастают кисличные и зеленомошные ельники, вересковые, лишайниковые и брусничные сосняки можно встретить на равнинах (Ниценко, 1960). Ранее большие площади были заняты лесами с участием широколиственных пород, в настоящее время эти участки распаханы или заняты вторичными мелколиственными лесами (Козлова, 1978). Район отличается высоким флористическим богатством и широким распространением южных видов благодаря выходам карбонатных пород.

На песчаном карьере, расположенном близ города Окуловка зафиксировано 18 видов из 5 семейств и один вид мха. Преобладающим по числу видов является сем. Fabaceae (7 видов), на втором месте - сем. Asteraceae (4 вида), на третьем - Poaceae (З вида). На обеих площадках самозарастание идет по лесной траектории, на первом участке к настоящему моменту сформирован сосновый лес, где средняя высота древостоя - 16 м, а возраст деревьев 16-17 лет. Общее проективное покрытие травянистых растений достигает - 5 %, всего на участке отмечено 9 видов высших сосудистых растений. В условиях трансаккумулятивного экотопа, приходится по 3 вида на лесную (Milium effusum L., Pinus sylvestris L., Picea abies (L.) Karst.) и опушечно-луговую (Hieracium umbellatum L., Trifolium hybridum L., Centaurea jacea L.) эколого-фитоценотические свиты, еще 2 вида являются представителями опушечно-лесной и 1 - опушечно-боровой групп. Второй участок находится на завершающей стадии сукцессии, здесь также преобладает сосна, общее проективное покрытие травянистой растительности достигает 30 %, всего найдено 13 видов высших растений. В аккумулятивном экотопе преобладают опушечно-луговые виды (Calamagrostis epigeios (L.) Roth, Lathyrus pratensis L., Trifolium hybridum L., Hieracium umbellatum L., Vicia cracca L., Trifolium medium L.), по 2 вида приходится на сорную, луговую и лесную свиты, также имеется 1 представитель прибрежно-луговой 87

группы. Коэффициент флористического сходства Сёренсена-Чекановского составил 52 %, что свидетельствует о схожести видового состава. На обоих участках сложно выделить преобладание какой-либо определенной жизненной формы растений, можно лишь сказать, что на втором участке немного больше длиннокорневищных трав. По отношению к богатству почв на карьере имеются представители всех групп, за исключением эвтрофов. На аккумулятивном экотопе второго участка, по сравнению с трансаккумулятивным чуть больше доля мезоэвтрофов и мезотрофов. По отношению к водному режиму, на первом участке несколько преобладают ксеромезофиты, на втором - мезофиты. Несмотря на то, что отличия в количестве видов небольшие, данная тенденция может быть результатом того, аккумулятивный экотоп отличается лучшими условиями увлажнения, также здесь скапливаются основные питательные вещества.

На карьере по добыче огнеупорных глин в Устье-Брынкино (Новгородская область) зафиксировано 25 высших сосудистых растений из 12 семейств и 3 вида мхов из 3 семейств. На первом месте по количеству видов - сем. Fabaceae (6 видов), на втором -Asteraceae (5 видов), остальные семейства представлены 1-2 видами.

На первом участке была проведена биологическая рекультивация путем посева трав, общее проективное покрытие растительности достигает 80 %. На данном участке зафиксирован 21 вид высших сосудистых растений. На площадке отмечено 4 деревянистых вида, достигающих максимальной высоты 80 см. Среди остальных 17 растений 4 приходится на одно-двулетники. Из 11 многолетних травянистых растений преобладающее большинство - корневищные травы (7 длиннокорневищные и 4 коротококорневищные), по 1 виду приходится на стрежнекорневую и рыхокустовую дерновинную жизненные формы. По отношению к богатству почв большинство видов -мезотрофы (13), 4 вида приходится на мезоэвтрофов и по 2 вида на олигомезотрофов и олиготрофов. По отношению к водному режиму преобладают мезофиты (16 видов), 4 вида являются ксеромезофитами и 1 мезогигрофит. Из 15 травянистых растений преобладают опушечно-луговые виды (7 видов), 3 вида сорных по одному представителю приходится на сорно-прибрежную, прибрежно-сорную, прибрежно-луговую, болотно-опушечно-луговую, опушечно-прибрежно-луговую свиты.

На втором участке была проведена только горнотехническая рекультивация, ОПП достигает 20 %. Здесь зафиксировано 12 видов высших растений 4 вида мхов и 3 вида лишайников. Среди высших растений - 5 деревянистых и 7 травянистых видов. Средняя высота древостоя здесь - 2,5 метра, максимальная - 3 м. Отмечено 4 длиннокорневищных вида, по одному виду приходится на рыхлокустовую дерновинную, однолетнюю корневую полупаразитическую и двулетнюю жизненные формы. 88

По требовательности к влаге: 1 вид - ксеромезофит, 8 - мезофитов и 3 -мезогигрофита. По отношению к богатству почв: 2 вида - олигомезотрофы, 9 - мезотрофы и 1 - мезоэвтроф. Эколого-ценотические свиты травянистых растений представлены 1 сорным видом, 5 опушечно-луговыми и 1 опушечно-лесным.

Участки имеют невысокое флористическое сходство, индекс Съеренсена-Чекановского составляет 36%.

Известняковый карьер в пос. Новогуровский расположен в Тульской области, согласно геоботаническому районированию - в северном лесном районе. Коренная растительность сохранилась небольшими островками, это широколиственные леса, с большим количеством дубравных видов. К выходам известняков приурочены остепненные луга с участием ковыля перистого. В настоящий момент территория по большей части распахана, вторичные леса представлены мелколиственными породами, также имеются посадки хвойных пород без участия таежных видов в подлеске.

На известняковом карьере в пос. Новогуровский найдено 34 вида высших сосудистых растений из 12 семейств. Преобладает по числу видов сем. Asteraceae (11 видов), на втором месте - сем. Fabaceae (7 видов), 4 вида приходится на сем. Polygonaceae. На первом, самом «свежем» участке процессы самозарастания только начались, общее проективное покрытие растительности составляет 10%, всего здесь найдено 10 видов травянистых растений. Несколько больше отмечено представителей одно-двулетних трав (4 вида), что типично для ранних этапов сукцессии (табл. 4.1). По представленности видами доминирует сорная эколого-ценотическая свита (4 вида), 2 вида приходится на сорно-прибрежную группу, остальные имею лишь по 1 представителю.

Второй участок отличается от первого несколько большим сроком зарастания, здесь отмечено 17 травянистых видов растений, общее проективное покрытие составляет 15%. Как и на первой площадке преобладают одно-двулетние виды, представители сорной эколого-ценотической группы (6 видов). Отмечено 3 представителя опушечно-луговой свиты и 2 - сорно-опушечно-луговой, другие группы имеют по 1 представителю.

Третья площадка отличается от предыдущих не только более долгим сроком зарастания, но и тем, что здесь была проведена биологическая рекультивация травами. Здесь отмечен 21 вид высших растений, общее проективное покрытие растительности составляет 98%. Сформирован сорно-разнотравный луг с доминированием бобовых, также имеется редкий подрост ивы и березы, что может быть индикатором перехода на следующий этап сукцессии. Наибольшее количество представителей приходится на длиннокорневищные (7 видов) и короткокорневищные (5 видов) многолетние травы. Зафиксировано 9 видов, относящихся к опушечно-луговой свите, по 2 представителя 89

имеют сорная и лесная эколого-фитоценотические группы, еще 8 видов относятся к 8 различным группам. На всех участках по требовательности к богатству почв преобладают мезотрофы, по отношению к водному режиму - мезофиты.

Наибольшее сходство видового состава наблюдается между первой и второй площадкой, здесь 72% общих видов (табл. 4.11). Как и ожидалось, сходство третьей площадки с первыми двумя довольно низкое, не смотря на схожесть абиотических условий, в данном случае различия в видовом составе обусловлены временем зарастания.

Таблица 4.11. Сходство видового состава разных участков карьера по добыче известняка (Новогуровский). Коэффициент Съеренсена-Чекановского, %

участок 1 2 3

1 - 74 26

2 - - 21

3 - - -

Согласно полученным результатам, видовой состав каждого карьера индивидуален. В первую очередь он определяется окружающей флорой. Список ведущих семейств на карьере, как правило, повторяет данное соотношение для области, при этом часто повышена доля видов, типичных для антропогенных местообитаний, например, из семейства бобовые. Спектр жизненных форм на карьерах разнообразен, он может как повторять соотношение жизненных форм естественных сообществ, так и значительно отличаться, в случае травянистых сообществ или группировок на скальных переуплотненных участках. Самозарастание обычно идет по лесной траектории, при этом рекультивация травами задерживает процесс формирования лесных сообществ на участках. В ходе первичной сукцессии на первых этапах постепенно увеличивается число видов, растет разнообразие жизненных форм, усложняется структура сообщества. По мере формирования сомкнутых хвойных лесов, число видов может снова снижаться, но при этом эколого-ценотический состав видов полностью отличается от изначального. На разных экотопах сукцессия протекает с различной скоростью, наиболее быстро зарастание происходит на участках со стабильной поверхностью и благоприятными физико-химическими параметрами субстрата. В случае наличия лимитирующих факторов, участки остаются без признаков поселения растительности на многие десятилетия.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА РАЗНООБРАЗИЯ РАСТЕНИЙ НА КАРЬЕРАХ С РАЗЛИЧНЫМИ СУБСТРАТАМИ

Сокращение биоразнообразия является одной из основных мировых экологических проблем. Угроза кроется и в том, что повышается уязвимость наземных и водных экосистем к изменению климата и химическому составу вод, значительно сужаются безопасные границы для других явлений, сужаются, так называемые, пределы выносливости экосистем. Судя по текущим и прогнозируемым темпам сокращения биоразнообразия, в настоящий момент происходит шестое крупное вымирание в истории Земли, но при этом первое, непосредственно вызванное деятельностью человека (Chapin et al. 2000). Утрата биоразнообразия имеет нелинейные и необратимые крупномасштабные последствия. Предыдущие случаи вымираний, как например исчезновение динозавров и подъем млекопитающих, вызвали массовые изменения в составе и функционировании экосистем Земли (Rockstrom et al., 2007).

Учитывая важность биоразнообразия в поддержании функционирования экосистем, биогеохимических циклах и предотвращения полного изменения сообществ в нежелательные состояния (Folke et al. 2005), сложно переоценить серьезность проблемы вымирания видов (Mace et al. 2005). Разнообразие функциональных механизмов ответа на изменения окружающей среды разными видами в составе экосистемы увеличивают ее устойчивость к различным нарушениям. Следовательно, экосистемы (как управляемые человеком, так и не управляемые) с низким уровнем биоразнообразия являются наиболее уязвимыми к любым воздействиям и имеют больший риск уничтожения (Scheffer and Carpenter 2003). Виды играют различные роли в экосистемах, т.е. они производят разные эффекты на процессы происходящие в ней, и по-разному отвечают на изменения, поскольку они занимают разные экологические ниши. Потеря видов влияет на функционирование экосистемы, ее устойчивость, и способность адаптироваться к изменениям биологического и физического рода (Elmqvist et al. 2003, Suding et al. 2008). В настоящий момент, скорость вымирания намного превосходит скорость видообразования. Человечество увеличило скорость исчезновения видов в 100-1000 раз по сравнению с темпами вымирания известными на протяжении всей истории Земли (Mace et al. 2005), по существующим на сей день прогнозам эти темпы будут все больше увеличиваться. В настоящее время около 25 % видов в хорошо изученных таксономических группах находятся под угрозой вымирания (от 12 % для птиц, до 52 % для цикад). До недавнего времени сокращение разнообразия имело более высокие уровни на островах, но за последние 20 лет около половины, зарегистрированных случаев вымирания, 91

зафиксировано на континентах. В первую очередь причины кроются в изменениях в землепользовании, интродукции видов, усиливающихся темпах изменения климата, что указывает на то, что биоразнообразие всей нашей планеты находится под угрозой.

Довольно сложно оценить границы, до которых потеря биоразнообразия будет не очень критичной, однако, по имеющимся подсчетам, границы превышены во много раз (Díaz et al. 2005), стоит также отметить, что исчезновение различных видов приводит к различным последствиям. Так, например, потеря крупных хищников или структурно важных групп видов, таких как водоросли или кораллы приводит к непропорционально большим последствиям на существование экосистемы. Отношение между биоразнообразием и устойчивостью экосистем имеет, как известно, не однозначный характер, связь намного сложнее, чем просто положительная корреляция (Одум, 1986).

Мы рассчитали наиболее типичные индексы разнообразия - индекс Симпсона и индекс Шеннона. Их различие состоит в том, что индекс Симпсона придает больший вес доминирующим видам. Если обратиться к формуле, можно обратить внимание, что возведение в квадрат небольших значений дает также намного меньший результат, в итоге наибольший вес приобретают доминирующие виды. Индекс же Шеннона в экологию пришел из теории информации, и является формализацией, которую применяют при оценке сложности любой системы, в том случае, когда отдельные компоненты разнообразия нас интересуют в меньшей степени (Одум, 1986). Также значительное преимущество индекса Шеннона в том, что он менее зависим от величины пробы, а также для него характерно нормальное распределение значений. Благодаря этому его можно использовать для статистических проверок значимости различий между средними значениями (Одум, 1986).

Максимальное количество видов обнаружено на известняковом карьере Печурки (136 видов высших растений), но не совсем корректно сопоставлять это значение с данными, полученными для других карьеров, поскольку число обследованных площадок, как и сама площадь карьера, значительно превышает остальные. На втором месте, по видовому богатству высших растений известняковый карьер в пос. Елизаветино (79 видов). Наименьшим количеством видов характеризуется песчаный карьер в пос. Окуловка (18 видов). Количество видов на отдельных экотопах варьировало от 9 на самозарастающем транс-эллювиально-аккумулятивном экотопе на песчаном карьере в пос. Окуловка до 51 на само зарастающем террасированном аккумулятивном экотопе известнякового карьера Елизаветино.

Максимальные значения индексов биоразнообразия (индекс Шеннона - 3,7; обратный индекс Симпсона - 37,2) отмечены на самозарастающем днище известнякового 92

карьера в Елизаветино, с большим количеством мелкозема. На карьере по добыче фосфоритов наименьшее разнообразие высших растений (индекс Шеннона - 1,3; обратный индекс Симпсона - 2,1) соответствуют участку под биологической рекультивацией, где в настоящий момент сформирован ельник мертвопокровник.

На карьере по добыче известнякового туфа видовое богатство и индексы разнообразия максимальны на самозарастающем террасированном участке под ельником с богатым напочвенным покровом (табл. 5.1). На плотном скальном днище с небольшим проективным покрытием значения значительно меньше. Минимальные уровни отмечены на переувлажненном участке - окраине гажевого болота.

Таблица 5.1. Индексы биоразнообразия на карьере по добыче известнякового туфа

участок 1 2 3

Индекс Шеннона 3,02 2,3 1,7

Индекс Симпсона (обратный) 14,2 6,6 4,1

Количество видов на участке 32 25 9

Всего видов 55

На известняковом карьере в пос. Елизаветино, максимальным разнообразием отличается первый участок - самозарастающий аккумулятивный экотоп, здесь мощность гумусированного слоя достигает 15 см, имеется значительное количество мелкозема, в отличие от второго участка - скального плотного днища карьера, где отмечено наименьшее видовое богатство и разнообразие (табл. 5.2). Третья площадка, представляющая собой террасированную поверхность под мелколиственным лесом, занимает промежуточное положение. Стоит отметить, что, не смотря на ряд неблагоприятных физических условий субстрата, данный карьер отличается более высоким уровнем разнообразия чем многие другие. Возможно, данное обстоятельство вызвано потенциально высоким плодородием данных грунтов.

Таблица 5.2. Индексы биоразнообразия на известняковом карьере Елизаветино

участок 1 2 3

Индекс Шеннона 3,7 2,9 3,2

Индекс Симпсона (обратный) 37,2 14,0 18,0

Количество видов на участке 51 29 34

Всего видов 80

На карьере по добыче известняка в Печурках, согласно рассчитанным индексам,

наименьшее разнообразие соответствует участку 10, где на плоской поверхности и на

мягкой вскрыше в 1970 г. были высажены саженцы сосны (табл. 5.3). Данный уровень

биоразнообразия типичен для сосновых лесов данного региона. Наибольший уровень

разнообразия согласно индексу Шенона соответствует недавно рекультивированному 93

участку, где еще не произошло смыкание крон деревьев и типичные лесные виды еще не вытеснили опушечно-луговые. Согласно индексу Симпсона, наибольшим разнообразием отличается участок 12 - отвал карьера, где более 30 лет идет спонтанная сукцессия без вмешательства человека. Изменения биоразнообразия во времени и пространстве связаны между собой. На плоских участках под биологической рекультивацией биоразнообразие со временем сокращается. На участках, где развитие протекает по типу спонтанной сукцессии, а именно на отвалах, уровень биоразнообразия со временем увеличивается. Интересно, что на сильно каменистых участках (отвалы из крупных обломков и скальные днища) развитие происходит так медленно, что за 46 лет существенных изменений не произошло. Дело в том, что этого времени слишком мало для естественного преобразования субстрата водорослями, лишайниками и мхами для поселения здесь высших растений.

Таблица 5.3. Индексы биоразнообразия на известняковом карьере (Печурки)

Участок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Индекс Шеннона 2,4 3,1 2,3 2,2 2,8 3,0 3,4 2,9 2,9 2,1 2,8 3,3

Индекс Симпсона (обратный) 6,9 22,0 5,6 5,9 16,0 20,7 24,5 25,7 17,0 5,3 26,0 33,4

Количество видов на участке 22 30 24 19 24 23 39 20 25 14 19 31

Всего видов 136

На известняковом карьере в пос. Новогуровский уровень разнообразия, как и количество произрастающих видов, увеличивается со временем (табл. 5.4). На первом самом молодом участке, занимающем аккумулятивную позицию в рельефе, оно минимально. Наибольшие уровни разнообразия отмечены на третьем участке, имеющем максимальный срок зарастания, под биологической рекультивацией травами.

Таблица 5.4. Индексы биоразнообразия на известняковом карьере (пос.

_Новогуровский)_

участок 1 2 3

Индекс Шеннона 1,8 2,4 2,8

Индекс Симпсона (обратный) 4,7 8,5 15,8

Количество видов на участке 10 17 21

Всего видов 34

На карьере по добыче фосфоритов, уровень видового богатства относительно

невысокий, минимальные показатели зафиксированы на первом рекультивированном

участке, имеющем максимальный срок зарастания, где в настоящий момент сформирован

ельник-мертвопокровник (табл. 5.5). Вряд ли данные значения свидетельствуют о

неустойчивости, нестабильности и других неблагоприятных ситуациях в сложившемся 94

фитоценозе. Возможно, низкое количество видов связано с сомкнутым верхним ярусом, развитым моховым покровом, т.е. условиями, в которых большое количество сорных видов-эксплерентов, характерных для первых этапов зарастания, существовать не могут.

Таблица 5.5. Индексы биоразнообразия на карьере по добыче фосфоритов

участок 1 2 3

Индекс Шеннона 1,3 2 1,9

Индекс Симпсона (обратный) 2,1 4,2 4,2

Количество видов на участке 11 14 12

Всего видов 22

На песчаном карьере в Колтушах зафиксировано довольно высокое количество видов, индексы видового разнообразия также имеют довольно высокие значения, относительно других карьеров (табл. 5.6). Возможно, данную ситуацию можно объяснить высоким содержанием питательных веществ, поступивших с органическим субстратом, нанесенным на поверхность карьера в ходе рекультивации. В целом, оба индекса указывают на то, что наименьшее разнообразие отмечается на самозарастающем участке под мелколиственным лесом. Индекс Шеннона свидетельствует, что биоразнообразие максимально на самозарастающем органическом субстрате с большим количеством строительного мусора, привезенного для рекультивации, и участке под биологической рекультивацией травами. Согласно значениям обратного индекса Симпсона, максимальное разнообразие соответствует террасированной поверхности, где была проведена рекультивация травами и на самозарастающем отвале органогенного субстрата, привезенного для рекультивации. При этом, различия в значениях не велики, поэтому, можно отметить, что все 3 участка имеют относительно высокий уровень разнообразия.

Таблица 5.6. Индексы биоразнообразия на песчаном карьере (Колтуши)

участок 1 2 3 4

Индекс Шеннона 3,3 2,6 3,5 3,5

Индекс Симпсона (обратный) 34,3 12,3 28,3 34,1

Количество видов на участке 25 20 26 25

Всего видов 72

На песчаном карьере в Капитолово видовое богатство увеличивается от элювиального экотопа к аккумулятивному (табл. 5.7), при этом, индексы биоразнообразия максимальны на втором участке - самозарастающей транс-аккумулятивной террасе. Согласно индексу Шеннона, наиболее контрастные экотопы имеют одинаковый уровень разнообразия, по результатам обратного индекса Симпсона, на дне видовое разнообразие значительно меньше. Данные результаты могут быть объяснены наличием большого

количества редких видов с небольшим проективным покрытием на элювиальном экотопе, и доминированием всего нескольких видов на самозарастающем днище карьера.

Таблица 5.7. Индексы биоразнообразия на песчаном карьере (Капитолово)

участок 1 2 3

Индекс Шеннона 2,4 2,7 2,4

Индекс Симпсона (обратный) 6,8 12 11

Количество видов на участке 29 24 15

Всего видов 39

Песчаный карьер расположенный, близ пос. Окуловка, отличается наименьшим количеством отмеченных видов, здесь очень низкое содержание тонких глинистых фракций. Наименьшее видовое богатство, как и индексы разнообразия отмечены на первом участке, соответствующем транс-аккумулятивному экотопу. Днище карьера, имеющее меньший срок зарастания, характеризуется более высокими значениями всех показателей (табл. 5.8).

Таблица 5.8. Индексы биоразнообразия на песчаном карьере (Окуловка)

участок 1 2

Индекс Шеннона 1,7 2,3

Индекс Симпсона (обратный) 4,4 8,1

Количество видов на участке 9 13

Всего видов 18

На карьере по добыче огнеупорных глин оба индекса указывают на то, что участок под биологической рекультивацией травами отличается большим разнообразием, чем самозарастающий отвал под мелколиственным лесом (табл. 5.9). Результат довольно ожидаемый, поскольку по результатам анализов, на первом участке более благоприятные физико-химические параметры субстрата.

Таблица 5.9. Индексы биоразнообразия на карьере по добыче огнеупорных глин

(Устье-Брынкино)

участок 1 2

Индекс Шеннона 2,8 2,3

Индекс Симпсона (обратный) 16,0 9,2

Количество видов на участке 21 12

Всего видов 25

По всей видимости, уровень биоразнообразия на карьерах зависит от технологии применяемых работ. На субстратах, более богатых питательными веществами, видовое разнообразие часто выше. В первые годы зарастания карьеров уровень биоразнообразия, как правило, довольно низкий, он достигает максимума на стадиях 20-25 летнего возраста 96

в случаях самозарастающих участков, и участков рекультивации травами. С дальнейшим развитием видовое богатство под развитыми лесными сообществами, как и видовое разнообразие падает. При этом, стоит отметить, что иногда, в случае существования на карьерах ряда лимитирующих факторов, препятствующих развитию растительности, процессы восстановления очень сильно затягиваются во времени. Довольно интересно, что участки с минимальным общим проективным покрытием и видовым богатством, могут характеризоваться максимальными индексами разнообразия. Наибольшим уровнем биоразнообразия характеризовались карбонатные субстраты, что связано с потенциально высокой плодородностью данных грунтов. Довольно много работ, свидетельствующих о том, что растительные сообщества, произрастающие на нейтральных почвах и выходах карбонатов, отличаются большим видовым разнообразием, чем сообщества на кислых или силикатных породах в умеренном и полярном поясах Северного полушария (Копцик и др., 2001; Ewald, 2003; Wohlgemnuth, Gigon, 2003). После ряда исследований в других зонах, была предложена теория, что высокое разнообразие на карбонатных породах вызвано историческими причинами. Дело в том, что большое количество видов эволюционно приспособилось именно к данному субстрату в связи с широким распространением этих пород в плейстоцене. Таким образом, исторические причины могут обуславливать связь регионального флористического богатства и реакцию рН почвы (Patrel, 2002).

Наименьшее видовое богатство, а также индекс Шеннона и обратный индекс Симпсона отмечены на самозарастающем песчаном карьере, однако в случае нанесения на песчаный субстрат органогенного материала, перечисленные показатели сопоставимы с карбонатными карьерами.

Таким образом, с точки зрения вопросов биоразнообразия, лучший метод для рекультивации карбонатных карьеров - это создание благоприятных физических условий субстрата и оставление участка под самозарастание. Данный вариант также наиболее экономически выгоден. При этом, ввиду относительно низкого уровня разнообразия еловых и сосновых лесов, установившихся на карьерах, а также их высокой ценности для региона, использовать критерий «высокое биоразнообразие» для разработки плана рекультивации следует с особой осторожностью.

ГЛАВА 6. ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ НА КАРЬЕРАХ С РАЗЛИЧНЫМИ СУБСТРАТАМИ Территория Северо-Западного региона характеризуется высоким уровнем разнообразия четвертичных отложений, также здесь расположено несколько крупных дочетвертичных форм рельефа. Отличительной особенностью района является огромное разнообразие полезных ископаемых, что является предпосылкой для увеличения антропогенного воздействия. Здесь добывают торф, туф, строительные и стекольные пески, озерные и моренные глины, фосфориты, известняки, кембрийские глины, граниты и мраморы. На карьерах происходит прогрессивная или поступательная эволюция почв, развитие идет по направлению к климаксным стадиям. Отличительной особенностью субстратов карьеров является высокая степень гетерогенности условий, поскольку здесь происходит смешение разных материалов и горизонтов различного генезиса. Также коренные породы, нераспространенные в современных отложениях, поднимаются на дневную поверхность и включаются в биогеохимические круговороты веществ. Трансформация кристаллических пород в обломочные происходит в результате горнодобывающей деятельности в тысячи раз быстрее, чем в естественных условиях. Тем не менее, карьерно-отвальные комплексы являются удобной моделью для изучения процессов почвообразования. Преимуществом здесь является то, что чаще всего исследователю известен возраст участка, полученные результаты не нуждаются в хронокоррекции, а также их можно использовать в моделировании почвообразования. На первых этапах образования карьерно-отвальных комплексов происходит абиогенная трансформация субстрата, она заключается в перемещении и сортировке различных по гранулометрическому строению материалов. Происходит перемещение мелкозема вниз по профилю, просадка грунта, образования понижений, одновременно с этим криогенные турбации часто приводят к выносу крупных валунов на поверхность (Андроханов и др., 2000). Таким образом происходит формирование внутреннего рельефа карьера. Нужно отметить, что абиогенное преобразование субстрата принято относить к первому этапу начального почвообразования (Абакумов, Гагарина, 2000). Вторым этапом является педогенное изменение твердой фазы, а третьим - биогенно-аккумулятивные процессы. Последний этап общепризнанно является наиболее важным в процессе педогенеза (Абакумов, Фроуз, 2009), его также используют для оценки интенсивности почвообразовательных процессов (Трофимов, Таранов, 1987). Процессы гумосонакопления происходят интенсивнее в случае проведения биологической рекультивации, чем под участками самозарастания (Абакумов, Фроуз, 2009).

Карьеры строительных материалов, расположенные на территории СевероЗападного региона, сильно отличаются по ландшафтным и геоморфологическим 98

параметрам, и как следствие по набору и сложности мероприятий, необходимых для рекультивации нарушенных земель. От состава и типа вскрышных пород зависит характер биологического и горнотехнического этапов рекультивации. Часто ситуация осложняется тем, что на поверхности оказываются породы нетипичные для нынешних условий. Кроме того, сложный рельеф отвалов требует значительных объемов планировочных работ. Бедность субстрата элементами питания, неблагоприятный механический состав и водно-физические свойства пород являются дополнительными препятствиями для восстановления посттехногенных участков. Выбор направления рекультивации зависит от самого объекта. Если рассматривать затраты на сельскохозяйственное направление и планируемый доход с данных площадей, то становится очевидно, что это экономически не выгодно (Бурцев, 1983), поэтому в Северо-Западном регионе лесная рекультивация является приоритетным направлением восстановления нарушенных земель. В связи с этим, необходимо оценить закономерности хода первичной сукцессии на карьерах с различными грунтами. Использование полученных данных поможет в научном обосновании необходимости проведения рекультивации на нарушенных территориях и выборе лучшего подхода восстановления территории.

6.1. Почвообразование на карбонатных породах

Процессы педогенеза на карбонатных субстратах были рассмотрены на примере карьеров по добыче известняка в поселках Елизаветино и Печурки Ленинградской области, в пос. Новогуровский Тульской области и на карьере по добыче известнякового туфа в пос. Пудость (Ленинградская область). Поскольку от состава и свойств материнской породы зависят свойства развивающихся здесь почв, кратко рассмотрим основные характеристики карбонатных пород. Известняк представляет собой осадочную горную породу, основными минералами которой являются кальцит СаСО3, арагонит и доломит Са,Мg(СОз)2. На рассматриваемых нами карьерах по добыче известняка, расположенных на ордовикском плато, преобладают доломитизированные ордовикские известняки. Разница между доломитизированным известняком и доломитом в процентном содержании МgО состоит: для доломитизированного известняка - 4-17%, для доломита -от 17%. Для некоторых карбонатных пород Северо-Запада были определены содержания различных химических элементов: доля CaO составляет 28,6%, MgO - 19,6%, SiO2 - 6%, Л1203+Р205+ТЮ2 - 3%, Fe2О3 - 0,8% (Карбонатные породы Северо-Запада РСФСР, 1967).

После того, как карьеры были отработаны, начинается абиогенная трансформация субстрата, спустя некоторое время, с появлением растительных группировок активизируются педогенные процессы и биологическая трансформация субстрата 99

(Абакумов, Гагарина, 2006). Отличительной чертой преобразования карбонатных пород является декарбонизация вследствие химического и физического выветривания. Нужно отметить, что процессы растворения карбонатов сильно зависят от реакции среды. При накоплении кислых продуктов, например, продуктов разложения растительного опада, выветривание будет происходить почти в 30 раз интенсивнее, чем в нейтральной среде (Макеичева, 1991). Важными последствиями декарбонизации являются эмиссия углекислого газа в атмосферу и снижение плотности пород, увеличение их пористости и шероховатости (Гагарина, 1968).

В условии карбонатных пород могут проявляться процессы ожелезнения и оглинивания, поскольку карбонатные частицы способны играть роль геохимимческого барьера (Гагарина, 1968, 1970).

Начальное почвообразование на известняковом карьере в пос. Елизаветино

Само по себе слишком плотное скальное днище карьера практически не пригодно для формирования здесь растительного покрова. Однако, на большую часть участков был нанесен тонкий слой моренных вскрышных карбонатных пород, далее растительность развивалась по луговому типу. На первом участке (днище карьера) со временем сформировался серогумусовый литозем (рис. 6. 1). Здесь довольно хорошо выражен серовато-палевый переходный горизонт АС. При этом мощность почвенного слоя небольшая, на данном участке выделено всего 2 горизонта: АС и С.

На отвале отсева дробления второго участка также весьма суровые условия для поселения растительности. Большинство отвалов переуплотнены, здесь почти повсеместно развиты процессы эрозии, тем не менее, в микропонижениях, а также на участках, где в составе имеется значительное количество суглинистых фракций или распространены более рыхлые щебнистые породы, под зарослями ив, формируются рендзины (рис. 6.1). Мощность профиля больше, чем на первом участке. На поверхности скапливается плохо разложившийся опад, мощность которого крайне неравномерна. Горизонт О достигает максимальной мощности 1 см непосредственно под кустарниками и в микропонижениях. Кроме подстилки здесь выделен переходных светло-серый горизонт АС и более плотная порода - горизонт С.

На террасированной щебнистой поверхности третьего участка сформирован мелколиственный лес. Здесь имеется большое количество мелкозема, почва также развивается по типу дерново-карбонатных, переходный горизонт АС среди всех рассматриваемых участков достигает максимальной мощности - 18 см.

Участок 1 Участок 2 Участок 3

Рисунок 6.1. Почвы известнякового карьера Елизаветино Согласно мезоморфологическим исследованиям образцов почв с разных участков, более крупные агрегаты повсеместно разбиты серией трещин (в результате дегидратации) на первичные полигональные отдельности. Внутри этих отдельностей также наблюдаются трещины, но более тонкие. Данное явление указывает на преобладание в составе пленок гидратированных соединений, таких как гумус, алюминий, гидроксиды железа (рис. 6.2). Также на поверхности выделяются отдельные зерна первичных минералов и агрегаты.

Рисунок 6.2. Наиболее типичное мезоморфологическое строение почв карьера Основными процессами, происходящими на участках, являются химическое, биохимическое и физическое выветривания минеральной части. О процессах декарбонизации свидетельствует снижение значений водной вытяжки рН в верхних горизонтах относительно породы (табл. 6.1). Содержание СО2 карбонатов между верхними органо-минеральными горизонтами и породой разнится минимум в 14 раз. Также для верхних горизонтов характерно большее содержание фракций мелкозема, наличие которого, в свою очередь способствует увеличению почвенного плодородия и влагоемкости. Данное соотношение мелкозема и скелета свидетельствует об интенсификации биогенно-аккумулятивных процессов, увеличении роли растительности,

при усиленном дроблении известнякового материала. Соотношение Сгк/Сфк, характеризующее групповой состав гумуса, в исследуемых образцах несколько повышено. Тип гумуса - гуматно-фульватный. Повышенная гуматность типична для почв, формирующихся на карбонатных породах, поскольку повышенное содержание Са2+, по закону действия масс, способствует образованию гуматов кальция.

Таблица 6.1. Общая характеристика почв известнякового карьера «Елизаветино»

мощность, С % рНвод СО2 карбонатов, Сгк/Сфк мелкозем, скелет, %

Со зокапятилетний серогумусовый литозем под сорно-разнотравным лугом (1 площадка)

АС 0-6 1,96 7,60 0,9 0,7 36 64

С 6-16 0,84 8,15 20,0 не опр. 20 80

Двадцатипятилетняя ■ эендзина под зарослями ивы (2 площадка)

О 0-1 4,00 6,80 не опр. 1,0 не опр. не опр.

АС 1-7 1,72 7,90 1,0 0,6 40 60

С 7-18 0,18 8,23 14,0 не опр. 21 79

Пятидесятилетняя рендзина под мелколиственным лесом (3 площадка)

АС 0-18 1,98 7,00 1,0 0,5 60 40

С 18+ 0,79 8,00 17,0 не опр. 25 75

Преобладают почвы супесчанго гранулометрического состава. Верхние органоминеральные горизонты (в сорокапятилетнем серогумусовом литоземе под сорно-разнотравным лугом и в пятидесятилетней рендзине под мелколиственным лесом) соответствуют легкому и среднему суглинку согласно классификации (табл. 6.2). Необходимо отметить, что с течением времени доля тонких фракций в верхних горизонтах увеличивается. Значительных изменений в содержании определенных фракций вниз по профилю не обнаружено, по гранулометрическому составу горизонты относительно однородны.

Таблица 6.2. Гранулометрический состав мелкозема почв известнякового карьера

«Елизаветино»

Горизонт Содержание, % к абс. Сухой почве, гранулометрических фракций, мм

1,00-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0001 <0,001 <0,01

45 летний серогумусовый литозем под сорно-разнотравным лугом (1 площадка)

АС 20,0 45,6 14,3 0,1 2,0 18,0 20,1

С 18,9 56,6 10,5 0,0 4,0 10,0 14,0

25 летняя рендзина под зарослями ивы (2 площадка)

АС 25,3 47,4 16,5 0,3 3,5 7,0 10,8

С 19,0 48,6 12,7 3,0 1,7 15,0 19,7

50 летняя рендзина под мелколиственным лесом (3 площадка)

АС 15,0 33,0 17,5 5,0 8,0 21,5 34,5

С 25,0 46,1 10,0 4,0 6,9 8,0 18,9

Мы обнаружили статистически значимую положительную корреляцию между всеми парами признаков, за исключением содержания ила и общим проективным покрытием, здесь связь не является достоверной (табл. 6.3). Таким образом, была подтверждена гипотеза о том, что увеличение содержания мелкозема будет положительно сказываться на процессах формирования растительного покрова и накопления органического вещества.

Таблица 6.3. Значения коэффициента корреляции Пирсона

Ил - углерод Физ.глина -углерод Углерод - ОПП Физ.глина -ОПП Ил - ОПП

0,99 0,84 0,83 0,84 0,73

р<0,05 р<0,05 р<0,05 р<0,05 р>0,05

Начальное почвообразование на известняковом карьере в пос. Печурки

Было обнаружено, что почвы разных участков довольно сильно отличаются по своим параметрам (табл. 6.4). В первую очередь, это обусловлено различиями в составе вскрышных пород, а также все участки имеют разное время зарастания и положение в рельефе. Все участки исследования обозначены на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3. Карта-схема форм рельефа на карьере и участков исследования

Элювиальные экотопы карьера (участки 1, 3, 4, 12) довольно сильно отличаются по физико-химическим параметрам субстрата. Благодаря этому, даже на одном типе рельефа формируются разнообразные сообщества. Наиболее типичны для более поздних стадий сукцессии отвалов мелколиственные леса с преобладанием Populus tremula и Betula pendula, травяно-кустарничковый ярус в таких случаях преимущественно представлен луговыми и опушечно-луговыми видами (Poa pratensis, Calamagrostis epigeios). Кроме того, на данных экотопах распространены хвойные леса, где доминатами являются Pinus sylvestris и Picea abies, травяно-кустарничковый ярус в данном случае в основном представлен опушечно-лесными и лесными видами (Convallaria majalis, Pyrola 103

rotundifolia). Несколько реже встречаются смешанные леса, где более сложно выделить доминанты. Вершины отвалов вне зависимости от срока зарастания довольно сильно отличаются по своему видовому составу, доля общих видов составляет от 24 % до 39 % (см. главу 4). На отвалах, зарастающих не более 12 лет, в данный момент сформированы заросли кустарников с доминированием Rubus idaeus. На элювиальных экотопах карьера обнаружено 8 видов высших растений (Chimaphila umbellata. Dactylorhiza fushsii, D. maculata, Epipactis atrorubens, E. palustris, Equisetum variegatum, Gymnadenia conopsea, Cypripedium calceolus), охраняемых на территории Ленинградской области.

Интересно, что на 1 и 3 участках элювиальных экотопов, реакция среды в подстилке несколько выше чем в низ лежащих серогумусовых горизонтах AY. В целом, реакция рН водной вытяжки варьирует от 4,4 до 7,45. При этом минимальное значение отмечено в серо-гумусовом горизонте AY, а максимальное - в погребенном [C] горизонте этой же площадки.

На участках происходит аккумуляция органического вещества. Содержание Сох на эллювиальных экотопах варьирует от 0,65 до 17,68 % (табл. 6.4). Максимальные значения наблюдаются в верхних органогенных горизонтах, однако, на 3 и 4 площадках более высокая доля углерода по сравнению с верхними приходится на нижележащие минеральный С и переходный АС горизонты. Данное явление может быть следствием как миграции органического вещества вниз по профилю, так и спецификой вскрышных пород, из которых сложены отвалы, поскольку в них изначально может содержаться органическое вещество. Содержание СО2 карбонатов колеблется в довольно узких пределах от 0,00 % до 0,23 %. Сложно выявить какую-либо тенденцию изменения этого показателя с глубиной, предположительно потому, что на ряду с химическим и биохимическим выветриванием карбонатов, сопровождающегося снижением содержания СО2 карбонатов в мелкоземе, происходит дробление более крупных фракций известняка и обогащение мелкозема данными фракциями. Фотографии профилей почв приведены на рисунке 6.4.

Серогумусовый гидрометроморфический эмбриозем уч.3

Серогумусовый эмбриозем уч. 1

Серогумусовый эмбриозем Серогумусовый эмбриозем уч. 12 уч. 4

Рисунок 6.4. Почвы, формирующиеся на эллювиальных экотопах карьера

Транзитные-трансэлювиальные экотопы широко распространены на территории карьера, и представляют собой склоны отвалов и борта карьера разной экспозиции. В настоящее время на карьере имеются как обнаженные склоны, так и полностью покрытые растительностью. Видовой состав склонов отвалов полностью совпадает с верхней частью. После рекультивации карьера предполагается, что на этих участках произойдут наибольшие изменения в видовом составе: по мере затопления влажность грунта увеличится, здесь возникнет экотон, что будет способствовать дополнительному увеличению биоразнообразия и возникновению на каждом отвале сообществ с разной требовательностью к водному режиму.

Помимо склонов, террасированные участки карьера также относятся к трансэлювиальным экотопам. На участках 7, 9, 10 была проведена горнотехническая и биологическая рекультивация: в разные годы здесь были высажены сосны. Площадка № 2 отличается тем, что здесь была проведена лишь горнотехническая рекультивация. В настоящее время участки (2, 7, 9, 10) отличаются не только сроком зарастания, но и гранулометрическим составом почв, условиями увлажнения. В результате на карьере представлены сосняки зеленомошные, сосняки травяные, а на хорошо дренированном песчаном участке формируется сосняк лишайниковый. На этих территориях присутствуют все краснокнижные виды, обнаруженные на карьере. На сухих участках стоит особенно отметить Chimaphila umbellate - вид, который на карьере встречается только здесь. Корме того, в светлых сухих лесах карьера произрастает Dactylorhiza maculate и Epipactis helleborine. На хорошо увлажненных, местами заболоченных участках довольно часто встречаются такие охраняемые виды, как Dactylorhiza baltica, Epipactis palustris и Equisetum variegatum.

Величина рН водной суспензии или увеличивается вниз по профилю, или остается постоянной как на десятом участке. Данный показатель варьирует от 5,26 в подстилке до 7,35 в породе. Содержание органического углерода меняется от 2,05 % в породе, до 12,64 % в верхнем органогенном горизонте, за исключением седьмой площадки, где максимальное количество углерода приходится на переходный горизонт, доля которого уменьшается вниз по профилю. Содержание СО2 карбонатов меняется от 0 до 0,36. При этом, как и в случае эллювиальных экотопов, сложно выделить тенденции изменения этого параметра с глубиной. Фотографии почв приведены на рисунке 6.5.

эмбриозем уч.2 реплантозем уч. 7 реплантозем уч. 9 реплантозем уч. 10

Рисунок 6. 5. Почвы, формирующиеся на транзитных транс-эллювиальных экотопах

К аккумулятивным экотопам мы относим самозарастающие скальные днища карьера (участки 8 и 11), самозарастающие понижения в рельефе на мягкой вскрыше (участки 5 и 6) и водоемы карьера. Участки 8 и 11 отличаются высокой каменистостью (до 80%), высокой плотностью и низкой водоудерживающей способностью. Зарастание высшей растительностью происходит медленными темпами. Первые колонисты заселяют нанопонижения, поскольку здесь скапливаются мелкозем и семена, несколько лучше условия увлажнения. На камнях обнаружено большое количество эпилитных лишайников Arthonia fusca, Acarospora moenium, A. glaucocarpa, Candelariella aurella, Lecanora dispersa, L. crenulata, Lecidella stigmatea, Phaeophyscia nigricans, Hymenelia epulotica, Sarcogyne regularis, Verrucaria spp.. Общее проективное покрытие растительности данных участков достигает 25%, основными доминантами здесь являются Ceratodon purputreus и Bryum pseudotriquetum. Число видов высших сосудистых растений с течением времени практически не изменилось (обнаружено 19-20 видов). Видовой состав донных частей карьера также единообразен - коэффициент Съёренсона-Чекановского составляет 92%.

Растительность развивается по лесной траектории самозарастания. Наиболее характерными видами являются Pinus sylvestris, Picea abies и Betula pendula. В понижениях развивается Salix сарrеа, травянистая растительность представлена отдельными парцеллами, среди них есть как типичные сорные виды (Tussilago farfara), так и представители опушечно-лесной и опушечно-луговой свит (Fragaria vesca, Solidago virgaurea, Calamagrostis epigeios, Stellaria gramínea, Agrostis tenuis). На данных территориях отмечено 5 краснокнижных видов (Dactylohiza incarnata, D. maculata, Gymnadenia conopsea, Epipactis atrorubens, Epipactis palustris) из семейства орхидных, находящихся под охраной в Ленинградской области.

Прибрежно-водная растительность разнообразна, доминантом здесь является Typha latifolia. В целом на таких экотопах можно найти до 20 типично прибрежно-водных видов. Особо стоит отметить, что значительное проективное покрытие на заболоченных участках приходится на охраняемый вид - Equisetum variegatum.

На плотных днищах происходят процессы декарбонизации вследствие химического, биологического и физического выветривания карбонатов. В первую очередь это подтверждается тем, что реакция рН водной суспензии здесь колеблется от 6 до 6,7. Как известно, для почвообразующей породы характерна щелочная реакция. Содержание СО2 карбонатов варьирует от 0,52 % до 1,09 %. Не смотря на скудный растительный покров, на участках можно отметить относительно высокое содержание органического углерода - от 3,24 % до 16 %. Для интенсификации процессов почвообразования и увеличения скорости первичной сукцессии на плотные скальные днища необходимо нанесения более рыхлого материала. Изображения формирующихся петроземов представлены на рисунке 6.6.

Петрозем уч. 8 Петрозем уч.11

Рисунок 6.6. Почвы, формирующиеся на скальных днищах карьера

Участки 5 и 6 также по своему положению относятся к аккумулятивным экотопам, но в данном случае на материнскую породу была нанесена мягкая вскрыша.

Сформированные здесь стратоземы отличаются относительно мощным почвенным профилем. Реакция рН водной суспензии варьирует от 5,4 до 6,57. На участках происходит активное выветривание карбонатов, содержание СО2 карбонатов в мелкоземе не велико - от 0% до 0,5%. На ровне с этим идет интенсивное накопление органического вещества, содержание углерода в разных горизонтах колеблется от 0,67% до 24,81%. Максимальное содержание органического вещества, среди всех изученных образцов на данном карьере, характерно для участка сформированных стратоземов изображенных на фотографиях 6.7.

Стратозем с ржавоземом серогумусовый уч.5 Стратозем серогумусовый уч. 6

Рисунок 6.7. Почвы, формирующиеся в аккумулятивных экотопах на мягкой вскрыше

Участки Горизонт Глубина, см рН водной суспензии рН солевой суспензии Гидролитическая кислотность Обменная кислотность СО2 % карбонатов £ % 'Э Сгк/Сфк Полевая влагоемкость Наименьшая влагоемкость Плотность Каменистость, %

1 O 0-4 5,02 4,24 0,04 0,12 0,00 6,14 8,16 0,85 - - - 13,1

AY 4-33 4,40 3,07 0,20 0,80 0,06 5,35 6,79 - 44,66 38,29 2,9

C 33-48 5,72 4,40 0,25 1,00 0,10 5,75 1,19 - 37,98 32,26 3,01

га 48 7,45 6,20 0,01 0,07 0,17 2,56 0,86 - 45,26 37,2 2,60

2 O 0-3 5,26 3,68 0,20 1,90 0,00 6,08 8,45 0,76 - - - 30,5

BF 3-13 6,35 5,48 0,20 0,70 0,24 5,89 5,73 - 62,11 59,31 3,05

C 13 6,55 6,12 0,65 1,00 0,08 2,14 2,05 - 43,19 39,32 2,97

3 O 0-7 6,36 4,53 0,20 0,30 0,10 6,00 3,27 0,78 - - 2,87 6,9

AY 7-15 5,86 4,34 0,30 0,50 0,10 4,85 7,85 - 46,99 37,69 2,80

G 15-36 6,43 4,69 0,30 0,50 0,07 5,01 0,65 - 73,25 68,29 2,87

О« 36-45 6,12 4,52 0,15 0,50 0,08 4,44 1,94 - 66,84 60,88 3,09

C 45 6,50 4,78 0,03 0,08 0,09 3,69 5,45 - 46,74 43,25 2,9

4 AY 0-26 5,22 4,50 2,00 2,00 0,21 6,06 3,94 0,91 49,37 42,05 2,52 29,5

АС 26 6,34 5,48 0,15 0,40 0,16 3,98 6,32 - 51,77 36,42 2,90

5 О 0-13 5,64 3,61 4,10 5,50 0,00 5,98 14,40 0,65 55,87 51,63 - 28,0

AY 13-25 6,05 5,06 0,20 1,00 0,35 5,34 2,13 - 73,25 68,22 2,70

С1 25-37 5,76 5,00 0,15 0,70 0,08 5,66 0,67 - 47,53 40,00 3,10

С2ох 37 6,10 5,14 4,00 4,00 0,52 3,27 3,33 - 58,20 54,81 3,23

6 О 0-4 6,57 6,28 0,10 0,90 0,00 5,43 24,81 - - - - 13,8

AY 4-28 6,53 5,09 0,01 0,03 0,13 5,38 13,25 0,76 141,15 116,05 2,40

С 28 5,40 4,60 0,20 0,25 0,27 3,43 4,47 - 43,51 39,69 2,55

7 О 0-7 5,98 4,90 1,70 2,00 0,00 5,89 8,24 - - - - 4,5

AY 7-9 6,90 5,87 1,25 1,25 0,00 5,06 9,46 0,68 52,69 49,31 2,45

С 9 7,35 7,20 0,95 2,20 0,09 4,13 3,89 - 42,38 36,19 2,69

8 С 0-5 6,70 6,35 3,60 3,60 0,52 5,17 3,24 - - - 2,40 80,0

9 О 0-3 5,96 5,30 0,35 0,60 0,00 5,81 8,80 0,57 - - 2,45 22,4

АС 3 6,70 5,95 3,40 5,50 0,36 3,13 3,75 - 33,15 32,11 2,40

10 AY 0-18 6,50 5,25 0,90 0,53 0,04 5,73 12,64 0,62 - - 2,40 22,4

С 18+ 6,50 6,24 3,45 5,52 0,07 3,68 12,50 - 34,05 31,97 2,50

11 АС 0-3 6,00 5,40 3,00 3,00 0,91 5,92 16,00 - - - 2,50 80,0

С 3+ 6,30 5,54 3,50 3,60 1,03 5,14 15,58 - - - 2,40

12 AY 0-25 6,15 4,70 0,30 0,80 0,23 5,30 17,68 0,80 44,55 37,90 2,70 30,0

С 25+ 6,11 5,34 0,25 1,20 0,22 5,65 10 - 38,02 32,28 2,80

Большинство факторов среды являются оптимальными для развития

растительности. Исключением оказалась высокая плотность и сильная каменистость на

скальных днищах карьера, данные свойства являются препятствиями для формирования

растительных сообществ. Все образцы, где был определен фракционный состав гумуса 109

характеризуются гуматно-фульватным типом. Повышенная доля гуминовых кислот объясняется карбонатным субстратом почвообразующей породы. Основные процессы преобразования минеральной части почв - химическое, биохимическое и физическое выветривание карбонатов. Интенсивному выветриванию обломков известняков способствует значительное содержание мелкозема (исключением являются лишь каменистые днища карьера), это в свою очередь повышает влагоемкость эмбриоземов и их плодородие, обеспечивая активное развитие растительных сообществ, интенсивно продуцирующих органическое вещество. Интенсивная декарбонатизация в первую очередь выражается в значительном снижении реакции рН. При этом, довольно сложно выделить какой-либо тренд изменения данного показателя с глубиной. Происходит дробление более крупных фракций известняка и обогащение мелкозема, вследствие чего реакция рН может как увеличиваться, так и уменьшаться вне зависимости от количества кислых продуктов. Для некоторых профилей можно наблюдать процессы оглинивания и ожелезнении карбонатных пород. Это является следствием того, что последние выступают в качестве микрогеохимического барьера и задерживают некоторые вещества из почвенного раствора.

Результаты мезоморфологических исследований свидетельствуют о довольно высоких темпах педогенного преобразования субстрата. В большинстве случаев в образцах почв хорошо выделяются неразложенные, а также слабо- и среднеразложившиеся растительные остатки (рис. 6.8). Для них характерно заселение грибами, практически повсеместно вокруг растительных частиц находится грибной мицелий. Наблюдаются опаловые фитолиты. Растительные остатки ассоциированы с мелкоземом.

Рисунок 6.8. Наиболее типичное мезоморфологическое строение почв известнякового карьера

«Печурки»

Для всех участков характерно крайне неоднородное распределение фракций по профилю (табл. 6.5). Также для карьера типично большое количество скелетного крупнообломочного материала, при относительно низком содержании мелкозема.

Таблица 6.5. Гранулометрический состав мелкозема почв известнякового карьера

«Печурки»

Участки Горизонты Содержание, % к абс. сухой почве, гранулометрических ( )ракций, мм

1,00-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0001 <0,001 <0,01

1 ЛУ 29,8 49,8 12,1 1,9 1,0 5,5 8,4

С 26,8 55,0 12,4 1,4 0,0 4,5 5,8

[С] 55,4 29,2 2,9 2,5 1,9 8,1 12,5

2 БГ 49,4 36,2 8,1 0,0 2,5 3,9 6,3

С 37,5 38,8 14,7 2,3 0,0 6,8 9,0

3 ЛУ 10,3 83,8 1,0 0,0 1,0 3,9 4,9

в 4,2 84,5 6,6 0,0 0,8 4,0 4,8

вох 12,5 75,3 1,0 7,8 0,7 2,8 11,3

С 16,2 73,1 5,6 0,2 1,6 3,3 5,1

4 ЛУ 5,1 72,5 12,8 1,1 3,0 5,6 9,7

ЛС 2,6 77,2 10,8 1,6 3,3 4,4 9,3

5 ЛУ 4,1 47,8 26,3 5,0 7,8 9,1 21,8

С1 7,0 72,8 16,4 0,0 0,0 3,8 3,8

С2ох 28,2 54,3 12,6 0,3 1,0 3,7 5,0

6 ЛУ 12,0 55,6 14,9 4,1 5,0 8,4 17,4

С 5,7 88,2 2,3 0,1 0,1 3,7 3,8

7 ЛУ 14,3 78,4 3,1 0,0 0,4 3,8 4,2

С 2,7 83,6 7,9 0,3 1,6 3,8 5,8

8 С 3,4 44,1 15,0 8,1 12,9 16,5 37,5

9 ЛС 11,0 57,0 18,5 0,8 5,1 7,8 13,6

10 АУ 19,3 55,5 12,5 2,5 5,0 5,0 12,5

С 15,2 55,8 12,5 4,0 5,0 7,5 16,5

11 А 10,9 26,6 27,5 32,5 0,0 2,5 35,0

С 26,3 31,2 17,5 10,0 5,0 10,0 25,0

12 АУ 18,6 64,0 12,5 0,0 2,5 2,5 5,0

С 7,9 72,2 10,0 2,5 0,0 7,5 10,0

Начальное почвообразование на известняковом карьере в пос. Новогуроский

Участки на данном карьере являются наиболее свежими, т.е. молодыми по

возрасту. Все три участка представляют собой плоские терасированные поверхности. Как

было описано ранее (см. главу 2), площадки отличаются сроком зарастания, а также

условиями увлажнения. На первом и втором участках морфологические признаки

почвообразования не выражены. Содержание органического углерода в горизонтах

первого участка практически одинаковое и составляет 0,8%. На втором участке

содержание углерода больше, однако, в нижнем горизонте значение немного выше, чем в

верхнем. Максимальное содержание органического углерода отмечено в верхнем

органоминеральном горизонте двадцатилетнего эмбриозема - 3,6%, значение параметра

снижается вниз по профилю до 0,96% (табл. 6.6). Реакция рН водной вытяжки

варьировала от 7,6 до 8,3; при этом наибольшие значения отмечены в нижних горизонтах

третьего участка, зарастающего дольше всех. По аналогии с другими карьерами с 111

карбонатным субстратом, можно сказать, что реакция рН динамично меняющийся показатель, что обусловлено двумя разнонаправленными процессами - накоплением органического вещества и выветриванием более крупных фракций с обогащением мелкозема. Содержание СО2 карбонатов наибольшее на самом свежем участке (2%) и минимально в верхнем ораганоминеральном горизонте третьего участка (0,01%). Тип гумуса на участках - гуматно-фульватный, на более старом участке соотношение Сгк/Сфк несколько ниже.

Таблица 6.6. Характеристика почв, формирующихся на известняковом карьере в

Новогурово

Горизонт Мощность Сох,% РН Сгк/Сфк СО2 карб.,%

Однолетний эмбриозем (точка 1)

С 0-5 0,85 7,6 - 1,30

С 5-25 0,87 7,8 - 2,00

Четырехлетний эмб зиозем (точка 2)

С 0-5 1,98 7,7 1,0 1,00

С 5-35 2,26 7,7 - 0,90

Двадцатилетний эмбриозем серогумусовый (точка 3)

ЛУ 0-1 3,60 7,6 0,8 0,01

АС 1-5 2,69 8,2 - 0,50

С 5-28 0,96 8,3 - 1,00

Распределение гранулометрических фракций по профилям на участках неоднородно (табл. 6.7). На первом участке оба горизонта относятся к суглинку тяжелому, как и низлежащий горизонт на второй площадке. На третьей площадке верхний горизонт относится к суглинку среднему, и нижние горизонты классифицируются как суглинок средний.

Таблица 6.7. Гранулометрический состав мелкозема почв, формирующихся на

известняковом карьере (Новогурово)

Горизонт Мощность Содержание, % к абс. Сухой почве, гранулометрических фракций, мм

1,00-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0001 <0,001 <0,01

Однолетний эмбриозем (точка 1)

С 0-5 6,5 18,5 28,9 14,1 30,8 1,3 46,1

С 5-25 5,0 27,8 17,2 5,0 42,5 2,5 50,0

Четырехлетний эмбриозем (точка 2)

С 0-5 8,8 15,9 36,1 5,5 20,7 13,0 39,2

С 5-35 10,6 28,6 11,2 24,4 24,4 0,9 49,7

Д радцатилетний эмбриозем серогумусовый (точка 3)

ЛУ 0-1 9,3 27,7 38,5 4,3 13,5 6,7 24,5

АС 1-5 3,0 26,2 32,6 6,0 0,8 31,3 38,2

С 5-28 7,0 37,3 24,7 5,8 13,4 11,8 31,1

В качестве модели для изучения восстановления известняковых туфов выбран Пудостский карьер (Гатчинский район, Ленинградская область). На рыхлых отвалах элювия туфа за 200 лет самозарастания сформировались дерново-карбонатные почвы (рис. 6.9). Здесь имеется маломощная подстилка, хорошо выражен гумусоаккумулятивный горизонт, имеющий комковатую структуру. Содержание органического вещества здесь постепенно уменьшается вниз по профилю, достигая максимума в подстилке - 21% (табл. 6.8). Стоит отметить,

что максимальное (21) и минимальное (2,5) значения для карьера зафиксировано на данной площадке. Значение рН водной суспензии постепенно увеличивается с глубиной, что вызвано накоплением кислых продуктов разложения органического вещества. Относительно велико содержание СО2 карбонатов (10-20%), значения постепенно увеличиваются вниз по профилю. Тип гумуса на участке - гуматно-фульватный, но по сравнению с другими площадками, доля фульвокислот несколько больше, что может быть вызвано как наибольшим сроком зарастания, так и сформированным ельником на данном участке.

Таблица 6.8. Характеристика почв, формирующихся на карьере по добыче

известнякового туфа

Горизонт Мощность, см Сох рНвод рН соль Обменная кислотность Гидролитическая кислотность Сгк/Сфк СО2 карб.

Дерново-карбонатная почва

(о) 0-0,5 21,0 6,5 6,0 1,0 0,9 0,9 -

А 0,5-6 18,0 7,2 - - - - 10,00

АС 6-15 15,0 8,2 - - - - 16,00

С 15+ 2,5 8,6 - - - - 20,00

Литозем

А 0-1 13,5 8,0 - - - 1,2 15,00

АС 1-10 5,5 8,5 - - - - 17,00

С 10+ 3,4 8,5 - - - - 20,00

Глеезем

А 0-1 9,0 6,7 6,5 0,5 0,1 1,0 0,05

в 1-12 5,4 6,7 6,5 0,4 0,2 - 0,01

Рисунок 6.9. Двухсотлетняя дерново-карбонатная почва

Второй участок представляет собой скальное днище карьера. В первую очередь выражены процессы биологического выветривания под действием мхов и лишайников, гумусонакопление наиболее ярко выражено под парцеллами высших растений (рис.6.10). Темно-серый, с комковатой структурой, органогенный горизонт выражен довольно плохо, его мощность достигает 1 см. Под ним расположен подстилающий переходный горизонт, здесь также выражена комковатая структура, наблюдаются процессы миграции органического вещества. На данном

Рисунок 6.10. Литозем (участок 2)

участке содержание органического углерода в органогенном и органоминеральном горизонтах равно 13,5 и 5,5%, что гораздо меньше, чем на первой площадке. При этом, в минеральном С горизонте содержание Сох несколько больше, чем в породе первого участка. Содержание СО2 карбонатов изменяется в пределах 15-20%, что примерно соответствует или не значительно больше, чем на первом участке. Реакция рН водной суспензии варьирует от 8,0 до 8,5. Тип гумуса на участке - фульватно-гуматный, относительно высокая доля гуминовых кислот может быть обусловлена как карбонатным субстратом, так и преобладанием травянистой растительности.

Третий участок представляет собой аккумулятивный экотоп, нами была обследована окраина болота. Здесь распространены такие виды, как Typha latifolia L., Equisetum palustre L., также часто встречаются Juncus articulatus L. и Alisma plantago-aquatica L. . На окраинах распространен редкий вид - Equisetum variegatum Schleicher ex

F. Weber & D. Mohr. Здесь сформирована глеевая почва с одним погребенным горизонтом (рис. 6.11). Верхний органогенный * ' горизонт отличается от нижележащего только более темной окраской, структура плитчатая. Содержание органического углерода несколько больше в верхнем горизонте, значения V; составляют 5,4 и 9 %. Реакция pH как водной вытяжки, так и солевой с глубиной не меняется, значения равны 6,7 и 6,5. На

■.,..»„-. участке содержание С02 карбонатов довольно низкое - 0,005-0,01

__________

¡Рисунок 6.11. Глеезем * %. Соотношение Сгк/Сфк равно 1, по сравнению с другими

ф** %

(3 площадка)

площадками

карьера,

этот

участок

характеризуется

промежуточным значением.

На всех участках содержание фракций физической глины растет вниз по профилю (табл. 6.9). Верхние горизонты первой площадки относятся к суглинку легкому, нижний минеральный горизонт - к супеси. На второй площадке верхние горизонты классифицируются как супесь, а нижний - песок связный. Третий участок значительно отличается от первых двух по своему гранулометрическому составу. Горизонты третей площадки относятся к средней и тяжелой глине.

Таблица 6.9. Гранулометрический состав мелкозема почв, формирующихся на карьере по добыче известнякового туфа

Горизонт Содержание, % к абс. Сухой почве, гранулометрических фракций, мм

1,00-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0001 <0,001 <0,01

Дерново-карбонатная почва

А 22,0 30,0 5,6 13,1 7,4 5,0 25,5

АС 25,2 14,8 33,0 8,0 8,2 4,0 20,2

С 17,9 25,0 22,6 6,5 3,5 6,0 16,0

Литозем

А 31,0 27,7 0,9 4,0 5,5 7,2 16,7

АС 24,0 30,0 4,4 3,4 8,0 3,6 15,0

С 26,5 23,0 21,2 3,4 1,3 5,0 9,7

Глеезем

A 12,0 8,5 9,0 5,0 12,0 50,0 67,0

C 10,0 4,2 3,6 5,0 14,0 64,0 83,0

6. 2. Почвообразование на песчаных субстратах

Рассмотрены процессы почвообразования на песчаных отложениях водно-ледникового генезиса, перемещенных в пространстве благодаря техногенезу. Песчаные почвы отличаются низкой влагоудерживающей способностью, даже небольшое количество глины может существенно улучшить условия субстрата. Суглинки характеризуются благоприятными условиями субстрата, помимо более высокой влагоудерживающей способности, они способны удерживать большее количество питательных элементов.

Один из самозарастающих карьеров по добыче песчано-гравийных отложений

расположен в пос. Капитолово. Восстановление почвенного и растительного покровов -

тесно связанные процессы. Так, на первой площадке, занимающей аккумулятивный

экотоп, наибольшее проективное покрытие растительности, здесь уже отчетливо

проявляется более темный, гумусированный органоминеральный слой, с комковатой

структурой, мощность которого достигает 3 см. Весь почвенный профиль густо пронизан

корнями. Минеральный С горизонт неоднородный по окраске: отмечено большое

количество ржавых и палево-серых пятен. Трансаккумулятивный экотоп отличается

несколько менее мощным и отчетливым гумусированным горизонтом. Морфологически 115

горизонт АС более темный, чем нижележащий, начинается агрегация песка, местами выражена комковатая структура.

Содержание органического углерода всегда было несколько выше в верхних горизонтах (максимальное - 3,2% и минимальное - 0,2%). Значения данного показателя отмечены на первом аккумулятивном экотопе (табл. 6.10). Реакция рН водной вытяжки изменяется слабо: в пределах от 7 до 7,6. Почвы характеризуются гуматно-фульватным типом гумуса, соотношения Сгк/Сфк равняются 0,5 и 0,6. По сравнению с другими карьерами, для

самозарастающих песчаных карьеров свойственна относительно высокая доля фульвокислот.

Разные участки значительно различаются по содержанию фракций физической глины (табл. 6.11). Наиболее благоприятные условия для развития растительности, как и ожидалось, отмечены в донной части карьера; верхний горизонт относится к легкому суглинку; нижний - к супеси, как и верхний горизонт на втором участке. На третьем участке крайне низкое содержание фракций физической глины, по гранулометрическому составу почвы классифицируются как песок рыхлый.

Таблица 6.11. Гранулометрический состав мелкозема почв карьера по добыче песчано-

гравийных отложений (Капитолово)

Горизонт Содержание, % к абс. Сухой почве, гранулометрических фракций, мм

1,00-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0001 <0,001 <0,01

Псаммозем серогумусовый (точка 1)

АY 30,3 45,9 1,0 10,0 7,0 5,8 22,8

С 47,0 38,3 0,3 6,2 3,8 4,4 14,4

Псаммозем (точка 2)

АС 36,4 49,3 0,6 4,5 5,0 4,2 13,7

С 58,5 33,4 1,2 0,9 3,0 3,0 6,9

Псамозем (точка 3)

С 65,2 30 0,5 0,5 1,5 2,3 4,3

С 60,0 35,6 0,4 1,0 2,0 1,0 4,0

Таблица 6.10. Характеристика почв, формирующихся на карьере по добыче песчано-гравийных отложений в пос. Капитолово.

Горизонт Мощность, см Сох, % рНвод Сгк/Сфк

Псаммозем серогумусовый (точка 1)

АУ 0-3 3,2 7,2 0,6

С 3+ 0,2 7,6 -

Псаммозем (точка 2)

АС 0-1 1,6 7,0 0,5

С 1+ 0,3 7,3 -

Псамозем (точка 3)

С 0-5 0,4 7,2 -

С 5+ 0,3 7,1 -

Мы предположили, что на песчаных карьерах, где как известно содержание фракций мелкозема может быть лимитирующим фактором, данный параметр должен иметь положительную корреляцию с содержанием углерода и, соответственно, с общим проективным покрытием растительности. Данная гипотеза была подтверждена, поскольку здесь была выявлена тесная статистически значимая связь между всеми изучаемыми параметрами (табл. 6.12).

Таблица 6.12. Значения коэффициента корреляции Пирсона

Ил - углерод Физ.глина -углерод Углерод - ОПП Физ.глина -ОПП Ил - ОПП

0,99 0,99 0,85 0,89 0,91

р<0,05 р<0,05 р<0,05 р<0,05 р<0,05

Один из самозарастающих песчаных карьеров расположен близ города Окуловка в Новгородской области. Первый участок занимает трансэлювиально-аккумулятивную позицию в рельефе. К настоящему моменту здесь сформирован сосновый лес, возраст деревьев составляет 16-17 лет, а средняя высота древостоя - 10м. Второй участок занимает аккумулятивную позицию; здесь также сформирован сосновый лес, средняя высота древостоя которого составляет 6м.

Время - важный фактор почвообразования. На первом участке, зарастающем на 10 лет больше, морфологически лучше выражена комковатая структура; здесь можно выделить слой подстилки и гумусированный горизонт. Стоит отметить, что на обоих участках гумусовый горизонт развит слабо (рис.6.10), его мощность - до 3 см. Глубина проникновения корней - 32 см.

25 летний эмбриозем (точка 1) 15 летний эмбриозем (точка 2)

Рисунок 6.10. Почвы, формирующиеся на песчаном субстрате карьера в пос. Окуловка

Для всех горизонтов обеих площадок характерна слабокислая реакция водной

вытяжки (табл. 6.13). Содержание органического углерода варьирует от 50% в подстилке

до 1% в низлежащем минеральном горизонте. В обоих случаях значения показателя

падают вниз по профилю. На аккумулятивном экотопе в верхнем органогенном и 117

подстилающем минеральном горизонтах содержание углерода больше, чем в аналогичных горизонтах на первом участке.