Флористические и геоботанические особенности процесса ренатурализации Усть-Сокского карьера

Полный текст

Введение. В Российской Федерации распространен открытый способ добычи полезных ископаемых, что связано как с геологическими особенностями их залегания, так и с относительной дешевизной карьерной добычи [1; 2]. Вместе с тем такой тип добычи минерального сырья отрицательно воздействует на природную среду. Как правило, после завершения промышленной разработки карьеры представляют собой деградированные (буквально оскальпированные) территории, лишенные почвенно-растительного покрова и являющиеся источниками поступления пыли в атмосферный воздух. Выведенные из эксплуатации карьеры служат фактором, активизирующим эрозионные процессы на прилегающих пространствах и снижающим природную и рекреационную привлекательность ландшафтов [3–5]. Указанные выше причины обусловливают необходимость восстановления техногенно нарушенных территорий, то есть их рекультивацию.

Однако рекультивация по ряду причин (прежде всего экономических) не всегда возможна, поэтому через какое-то время на нарушенных территориях начинается процесс естественного восстановления природной среды – ренатурализация. Как отмечает О.В. Исаенко [6, с. 81], естественный процесс самовосстановления природных комплексов начинается после прекращения или значительного уменьшения антропогенной нагрузки. В каждом конкретном случае процессы ренатурализации имеют локальные особенности, но для регионов, в которых они происходят, в характере этих процессов формируются общие черты и закономерности, которые должны учитываться в региональной практике рекультивации нарушенных ландшафтов. Данные обстоятельства обусловливают актуальность изучения процессов самозарастания карьерных разработок, выведенных из эксплуатации. Результаты подобных исследований углубляют и расширяют существующие представления о сукцессиях на техногенно нарушенных территориях. Они также могут использоваться для разработки технологий рекультивации нарушенных ландшафтов в конкретных условиях природной среды, повышая их эффективность и экономичность. Практическая значимость подобных исследований сочетается с возможностью изучения динамики вторичных сукцессий и получения фактических данных о механизмах устойчивости растений к изменившимся условиям среды обитания, и на этой основе – выявления наиболее устойчивых видов.

Территория Самарской области может служить удобным полигоном для исследования рекультивационных процессов в силу того, что карьерный способ добычи минерального сырья осуществлялся здесь с давних времен и активно практикуется в настоящее время. В качестве объекта исследований нами был выбран Усть-Сокский (Сокский, или Западный) карьер, расположенный в западной части Сокольих гор. В этом карьере на протяжении 50‒70-х гг. XX в. осуществлялась промышленная добыча карбонатных пород для производства строительных материалов (щебня, строительных смесей и т.д.). В результате на северном макросклоне Сокольих гор, близ места впадения р. Сок в Саратовское водохранилище, образовалась крупная техногенная выемка максимальной протяженностью с севера на юг около 1 км и с запада на восток – около 2 км. Относительная высота отвесных бортов техногенного котлована достигает десятков метров, в отдельных случаях – 100‒150 м [7]. Дно карьера, ограниченное скальными террасами, в целом ровное и плоское. С поверхности оно сложено плотными карбонатными породами, перемежающимися с выходами монолитного скального фундамента, и местами загромождено кучами крупных глыб некондиционных пород. После прекращения добычи минерального сырья рекультивационные работы на данной территории не производились. Таким образом, ориентировочно с 70-х гг. XX в. на территории Усть-Сокского карьера начался процесс естественного самозарастания – ренатурализации техногенно нарушенного ландшафта Сокольих гор.

Пространство, окружающее Усть-Сокский карьер, покрыто широколиственными лесами (на техногенно нарушенных участках – мелколиственными лесами и сосняками). Несмотря на то, что широколиственные леса в период функционирования карьера подверглись частичной вырубке (при прокладке грунтовых дорог и просек), в настоящее время их можно отнести к числу наименее нарушенных лесных массивов в пределах г.о. Самара. В связи с этим вполне оправдан сравнительный анализ флористических и геоботанических данных, полученных при исследовании Усть-Сокского карьера, с аналогичными данными, полученными при изучении лесного массива Сокольих гор, прилегающего к территории карьера.

Методика исследований. Исследования на территории Усть-Сокского карьера проводились маршрутным методом в весенний и летний периоды 2011 ‒ 2014 гг. Маршруты пересекали все основные элементы техногенного рельефа карьера (днище, террасы, обвально-осыпные склоны). По результатам полевых и камеральных исследований был составлен список видов сосудистых растений и осуществлен таксономический, биоморфологический, фитоценотический и экологический анализ. При проведении анализа авторы руководствовались классификацией климаморф К. Раункиера [8], системой биоморф И.Г. Серебрякова и Т.И. Серебряковой [9–11], системой экоморф А.Л. Бельгарда [12] в модификации Н.М. Матвеева [13]. Номенклатура таксонов дана по сводке С.К. Черепанова [14].

В вегетационный период 2014 г. в Усть-Сокском карьере были произведены геоботанические исследования, для чего на восточном, центральном и западном участках днища было заложено 5 пробных площадей (размером 10×25 м). Шестая (контрольная) пробная площадь была заложена вне карьера, на участке, примыкающем к его бровке с запада. Для учета состава и структуры травостоя на пробных площадях случайно-регулярным способом закладывалось по 10 учетных площадок (1×1 м), на которых выявляли количество экземпляров, проективное покрытие (%), фазу вегетации каждого вида травянистого растения. Таксационное изучение древостоя осуществлялось общепринятыми методами [15].

Результаты и их обсуждение. Проведенные исследования позволили выявить на территории Усть-Сокского карьера 107 видов сосудистых растений, принадлежащих к 83 родам, 35 семействам, 5 классам (Polypodiopsida, Equisetopsida, Pinopsida, Liliopsida, Magnoliopsida) и 4 отделам (Polypodiophyta, Equisetophyta, Pinophyta, Magnoliophyta). Класс Magnoliopsida является доминирующим в изучаемой локальной флоре: к нему относятся 27 семейств (77,1% от общего числа семейств), 72 рода (86,8% от общего числа родов) и 93 вида (86,9% от суммы видов) [16]. Лидирующими по числу видов являются 11 семейств, которые содержат 78 видов, или 72,8% от их совокупности (табл. 1). Ведущими по количеству видов являются рода Salix (5 видов), Artemisia (4 вида), Populus, Hieracium и Epipactis (по 3 вида).

 

Таблица 1 – Ведущие семейства в локальной флоре Усть-Сокского карьера

№	Семейство	Число видов		Число родов
		абс.	%	абс.	%
1	Asteraceae	23	21,5	17	20,5
2	Rosaceae	13	12,1	11	13,3
3	Fabaceae	11	10,3	9	10,8
4	Salicaceae	8	7,5	2	2,4
5–6	Scrophulariaceae	4	3,7	2	2,4
5–6	Orchidaceae	4	3,7	2	2,4
7–11	Poaceae	3	2,8	3	3,6
7–11	Polygonaceae	3	2,8	3	3,6
7–11	Brassicaceae	3	2,8	3	3,6
7–11	Caprifoliaceae	3	2,8	3	3,6
7–11	Grossulariaceae	3	2,8	2	2,4
Всего:		78	72,8	57	68,6

 

Сравнительный анализ флористических спектров Усть-Сокского карьера и западной части Сокольих гор (табл. 2) обнаруживает совпадение по положению первого (Asteraceae), второго (Rosaceae), третьего (Fabaceae) и пятого (Scrophulariaceae) доминирующих семейств, что свидетельствует о проникновении растений в карьер из сопредельных фитоценозов Сокольих гор. При сравнении флоры Усть-Сокского карьера с флорой Волго-Уральского региона отмечается совпадение лишь по положению первого (Asteraceae) и третьего (Fabaceae) семейств, что объясняется специфичностью абиотических условий в карьере.

Анализ жизненных форм растений по классификации И.Г. Серебрякова и Т.И. Серебряковой [9–11] выявил преобладание во флоре Усть-Сокского карьера травянистых поликарпиков (50 видов, или 46,7% от их совокупности), среди которых выделяются группы короткокорневищных (18 видов, 16,8%), длиннокорневищных (15 видов, 14,0%), стержнекорневых (13 видов, 12,1%), кистекорневых и клубнеобразующих (4 вида, 3,7%) растений. Численность остальных биоморф убывает в ряду: деревья (15 видов, 14,0%), однолетние травы (13 видов, 12,1%), кустарники (10 видов, 9,3%), деревья или кустарники (8 видов, 7,5%), двулетники (7 видов, 6,5%), полукустарнички (2 вида, 1,9%), лианы (1 вид, 0,9%). Господство короткокорневищных и длиннокорневищных многолетних трав, а также присутствие значительной доли древесных и полудревесных растений способствует (за счет ежегодного отмирания определенной части надземных и подземных органов) накоплению гумуса в корнеобитаемом слое субстрата и постепенному формированию почвенного покрова.

Согласно классификации жизненных форм К. Раункиера [8], в локальной флоре Усть-Сокского карьера доминируют гемикриптофиты (45 видов, или 42,0%). Им существенно уступают фанерофиты (32 вида, 29,9%), криптофиты (11 видов, 10,4%) терофиты (10 видов, 9,3%) и хамефиты (9 видов, 8,4%). Совместно с криптофитами и терофитами, гемикриптофиты существенно повышают устойчивость растительного покрова карьера к перенесению неблагоприятных сезонно-климатических явлений.

 

Таблица 2 – Сравнительные флористические спектры

Усть-Сокский карьер	Западная часть Сокольих гор [17]	Волго-Уральский регион [18]
Asteraceae	Asteraceae	Asteraceae
Rosaceae	Rosaceae	Poaceae
Fabaceae	Fabaceae	Fabaceae
Salicaceae	Brassicaceae = Liliaceae	Brassicaceae
Scrophulariaceae = Orchidaceae	Scrophulariaceae = Salicaceae	Cyperaceae

 

Экоморфный анализ локальной флоры Усть-Сокского карьера показал, что среди ценоморф преобладают сильванты (лесовики), биоценотический оптимум которых находится в биотопе климаксовых лесных сообществ. Лесовики и сорно-лесные растения насчитывают 46 видов, или 43,0% от их общего количества. На втором месте по встречаемости стоят степанты (степняки) и сорно-степные виды (21 вид, 19,6%), оптимальные условия для которых формируются, соответственно, в коренных степных сообществах и в биотопах изреженных (нарушенных) степных группировок, сухих и суховатых группировок пустырей. На третьем месте, незначительно уступая степным видам, находятся пратанты (луговики) и сорно-луговые виды (20 видов, 18,7%) с биотическим оптимумом в биотопах ненарушенных естественных лугов и нарушенных луговых группировок. Самыми малочисленными оказываются рудеранты, или сорняки (10 видов, 9,3%) и растения болотных сообществ – палюданты (2 вида, 1,9%). Результаты экоморфного анализа указывают на преимущественное проникновение видов из лесного массива Сокольих гор, окружающего Усть-Сокский карьер почти по всему его периметру. Наряду с лесным массивом Сокольих гор, источниками поступления видов в Усть-Сокский карьер могут служить лугово-степные и степные сообщества, сформированные на безлесном пространстве в окрестностях Столового склона, а также луговые и лугово-степные группировки лесных опушек. Нельзя исключать возможность попадания видов в карьер антропохорным способом.

Анализ трофоморфного состава локальной флоры Усть-Сокского карьера показывает, что основная масса сосудистых растений в карьере – мезотрофы (56,4%) и мегатрофы (30,3%). Олиготрофами являются только 13,0% видов. Предполагая количественное преобладание во флоре карьера ультраолиготрофов и олиготрофов, видовые популяции которых процветают, соответственно, на обнаженных или перемещенных на дневную поверхность грунтах и бедных по содержанию гумуса и питательных элементов почвах, мы обнаружили доминирование видов, требующих среднебогатых и богатых питательными элементами почв. Можно полагать, что подобное соотношение трофоморф в составе флоры карьера не аномально, и в целом сходно с западной частью Сокольих гор, во флоре которых 62,5% видов являются мезотрофами, 29,3% – мегатрофами и 8,2% – олиготрофами [17].

В Усть-Сокском карьере преобладают мезофиты и ксеромезофиты (55 видов, 51,4%). Встречаются мезогигрофиты, гигрофиты и ультрагигрофиты (20 видов, 18,7%). Такие виды нуждаются в гигротопах со средним и высоким уровнем влажности (от суховатых до мокрых). Такой уровень влажности обеспечивается, главным образом, за счет естественного водоема (небольшого озера) на днище карьера. В сухих и суховатых гигротопах успешно развиваются ксерофитные виды – мезоксерофиты и ксерофиты, на долю которых приходится 29,9% от флоры Усть-Сокского карьера.

Наличие большого открытого и незаселенного пространства, а также лишенный почвенного покрова карбонатный субстрат способствуют проникновению и закреплению в карьере светолюбивых видов – гелиофитов (68 видов, 63,6%) и выдерживающих незначительное затенение сциогелиофитов (27 видов, 25,2%). Примесными видами следует считать гелиосциофиты (9 видов, 8,4%) и сциофиты (3 вида, 2,8%), оптимальные условия для существования которых складываются в полуплотнокронных лесах полутеневой структуры и в плотнокронных лесах теневой структуры.

На фоне невысокого уровня фиторазнообразия, во флоре Усть-Сокского карьера отмечено 6 видов сосудистых растений, внесенных в Красную книгу Самарской области [19]: хвощ ветвистый Equisetum ramosissimum Desf., дремлик тёмно-красный Epipactis atrorubens (Hoffm. ex Bernh.) Bess., д. широколистный E. helleborine (L.) Crantz, д. болотный E. palustris (L.) Crantz, тополь белый Populus alba L., боярышник волжский Crataegus volgensis Pojark. К числу редких и уязвимых таксонов Самарской области, нуждающихся в постоянном контроле и наблюдении, относятся ива остролистная Salix acutifolia Willd. и золототысячник красивый Centaurium pulchellum (Sw.) Druce. Кроме того, боярышник волжский является эндемиком средневолжской группы европейского типа ареала [20].

Анализ экобиоморфного состава локальной флоры Усть-Сокского карьера не дает полного представления о характере и особенностях процесса ренатурализации техногенно нарушенной территории. В этой связи на днище Усть-Сокского карьера и на прилегающей к нему территории было заложено шесть пробных геоботанических площадей. Днище – наиболее выровненная и менее динамичная по экологическим показателям часть карьера, в пределах которой выделяются участки с разным временным периодом самозарастания. Наиболее старая по времени выведения из эксплуатации часть днища карьера – восточная часть, средняя по времени выведения – центральная часть и наиболее молодая – западная часть. Пробная площадь 1 была заложена в восточной части, пробная площадь 2 – в центральной части около озера, пробные площади 3 и 3а – в центральной части напротив штолен, пробная площадь 4 – в западной части днища и контрольная пробная площадь 5 – на равнинном лугово-степном участке, прилегающем с западной стороны к верхней террасе карьера.

На пробных геоботанических площадях было выявлено 28 видов травянистых и 7 видов древесных растений (табл. 3, 4). Наибольшее видовое разнообразие травянистых растений отмечается на пробной площади 5 (контроль), где встречается 14 видов из 14 родов и 10 семейств (Poaceae, Convallariaceae, Rosaceae, Geraniaceae, Polygalaceae, Apiaceae, Asclepiadaceae, Lamiaceae, Campanulaceae, Asteraceae) (табл. 3). Количество видов на каждой отдельно взятой пробной площади в карьере значительно меньше: 7 видов произрастает на пробной площади 3а, по 4 вида – на пробных площадях 2 и 3, по 3 вида – на пробных площадях 1 и 4. Доминирующими в карьере являются сем. Asteraceae и Poaceae: они насчитывают наибольшее число представителей (по 6 видов), которые встречаются на 5 из 6 пробных площадях. В целом на всех пробных площадях карьера произрастает 16 видов из 15 родов и 7 семейств (Equisetaceae, Poaceae, Juncaceae, Orchidaceae, Fabaceae, Scrophulariaceae, Asteraceae). Общими для карьера и контрольной площади являются 2 вида – ястребинка волосистая Hieracium pilosella L. и ковыль Лессинга Stipa lessingiana Trin. et Rupr.

 

Таблица 3 – Видовое разнообразие травянистых растений на изучаемых пробных площадях

	Вид	Пр. пл. 1	Пр. пл. 2	Пр. пл. 3а	Пр. пл. 3	Пр. пл. 4	Пр. пл. 5
1	Artemisia campestris L.						+
2	Artemisia vulgaris L.	+			+	+
3	Bromopsis inermis (Leyss.) Holub		+
4	Calamagrostis epigeios (L.) Roth		+	+
5	Campanula sibirica L.						+
6	Centaurea ruthenica Lam.						+
7	Elytrigia repens (L.) Nevski	+
8	Epipactis palustris (L.) Crantz			+
9	Equisetum hyemale L.			+
10	Equisetum ramosissimum Desf.			+
11	Euphrasia pectinata Ten.			+
12	Festuca valesiaca Gaudin						+
13	Filipendula vulgaris Moench						+
14	Geranium sanguineum L.						+
15	Hieracium pilosella L.	+			+	+	+
16	Juncus compressus Jacq.		+
17	Jurinea ledebourii Bunge						+
18	Melampyrum arvense L.			+
19	Medicago lupulina L.				+
20	Phleum phleoides (L.) Karst.				+
21	Poa stepposa Kryl. (Roshev.)		+
22	Polygala vulgaris L.						+
23	Polygonatum odoratum (Mill.) Druce						+
24	Seseli libanotis (L.) Koch						+
25	Stipa lessingiana Trin. et Rupr.					+	+
26	Thymus zheguliensis Klok. et Shost. p.p.						+
27	Tussilago farfara L.			+
28	Vincetoxicum hirundinaria Medik.						+

 

Бедность видового состава травостоя Усть-Сокского карьера сопровождается его сильной изреженностью. Если на контрольной пробной площади 5 проективное покрытие достигает почти 85%, то на днище карьера этот показатель варьирует от 3 до 33%. Наиболее изреженный травянистый покров с проективным покрытием 3‒9% характерен для пробных площадей 1, 3 и 4, расположенных в восточной и западной частях карьера (пр. пл. 1 и 4), а также в центральной его части напротив штолен (пр. пл. 3). На пробных площадях 2 и 3а проективное покрытие травянистого покрова составляет 22% и 33% соответственно. Самые низкие суммарные показатели проективного покрытия связаны, главным образом, с более глубоким залеганием грунтовых вод (пр. пл. 1, 3 и 4). Пробные площади 2 и 3а отличаются лучшими условиями увлажнения за счет пониженного рельефа (пр. пл. 3а) и расположения возле озера (пр. пл. 2). Влагообеспеченность площади 3а настолько высока, что там поселяются и демонстрируют высокие показатели жизненного состояния некоторые виды влаголюбивых растений, способные обитать на бедных питательными элементами субстратах – Equisetum hyemale L., E. ramosissimum Desf. и Epipactis palustris (L.) Crantz.

Отсутствие сформированного почвенного покрова, обедненность субстрата элементами минерального питания и жесткие условия инсоляции не позволяют на данном этапе процесса ренатурализации техногенного ландшафта Усть-Сокского карьера развиваться плотному и богатому видами травяному покрову. Об этом свидетельствует снижение показателей жизненного состояния трав на днище карьера по сравнению с контрольной пробной площадью.

 

Рисунок 1 – Суммарное проективное покрытие травянистых растений на изучаемых пробных площадях

 

Видовой состав древесных растений так же, как и травянистых растений, не богатый (табл. 4). Древесные растения обитают преимущественно на днище карьера. Большинство из них принадлежит к сем. Salicaceae (Populus nigra L., P. tremula L., Salix caprea L.), но встречаются и представители сем. Pinaceae (Pinus sylvestris L.) и Betulaceae (Betula pendula Roth). Отличительной особенностью контрольной пробной площади 5 является отсутствие представителей сем. Salicaceae – их место занимают виды из сем. Aceraceae (Acer platanoides L.) и Fagaceae (Quercus robur L.).

 

Таблица 4 – Видовое разнообразие и численность древостоя на изучаемых пробных площадях

	Вид	Пр. пл. 1	Пр. пл. 2	Пр. пл. 3	Пр. пл. 4	Пр. пл. 5
1	Acer platanoides L.					2
2	Betula pendula Roth	9		1		6
3	Pinus sylvestris L.	10		4	5	1
4	Populus nigra L.	8	53	3	4
5	Populus tremula L.	5
6	Salix caprea L.	1	14
7	Quercus robur L.					1

 

Превалирование представителей сем. Salicaceae на типичных участках днища карьера может служить индикатором экологических условий. С одной стороны, они очень устойчивы к неблагоприятным климатическим условиям, светолюбивы, характеризуются быстрым ростом и высокой регенерационной способностью, с другой стороны – весьма требовательны к почвенному увлажнению и в естественных условиях произрастания часто проявляют себя как пойменные виды. Учитывая эти обстоятельства и тот факт, что заселение карьера древесными растениями осуществляется только семенным путем, можно сделать вывод о минимально достаточной влагообеспеченности поверхностных грунтов и горных пород карьера.

Поскольку в Усть-Сокском карьере древесные растения характеризуются тугорослостью, более мелкими и светлыми по сравнению с нормой листьями [7; 21], их современный габитус (форма и размеры кроны, порядок ветвления побегов, высота и толщина ствола) не позволяет достоверно судить о возрасте. Даже взрослые деревья (30‒40 лет) отличаются низкорослостью, слаборазвитой кроной и относительно малым диаметром стволов в сравнении с нормой для данного вида. В ходе исследований в карьере к древостою относили только те экземпляры деревьев, диаметр ствола которых был равен или превышал 5 см. Именно поэтому в табл. 4 нет данных по пробной площади 3а, на которой произрастали Populus nigra L., Pinus sylvestris L. и представители рода Salix с толщиной ствола существенно меньше 5 см. В целом отметим, что для днища карьера характерны значительная изреженность древостоя и почти полное отсутствие участков с высокой сомкнутостью крон, наблюдаемой в сформированных лесных массивах.

Заключение. По состоянию на начало ноября 2015 г., в пределах Усть-Сокского карьера зафиксировано произрастание 107 видов сосудистых растений, принадлежащих к 83 родам, 35 семействам, 5 классам и 4 отделам. В составе флоры выявлено 6 краснокнижных видов Самарской области, 2 редких и уязвимых вида Самарской области и 1 эндемичный вид. Локальная флора карьера значительно беднее флоры Сокольих гор и отличается от нее по видовому составу, что связано со спецификой абиотических условий, присущих техногенно нарушенной территории. Тем не менее сходство флористических спектров Усть-Сокского карьера и прилегающей части Сокольих гор, а также результаты экобиоморфного анализа свидетельствуют о том, что проникновение видов в карьер в основном происходит из окружающего лесного массива.

При общности абиотических условий, на различных участках карьера эти условия существенно различаются – в первую очередь, по условиям увлажнения. Сформированная на сегодняшний день флора карьера не сбалансирована, процесс ее формирования не закончен и динамичен. Сделать заключение о том, какой может быть растительность карьера в будущем, пока не представляется возможным. Дальнейшее использование Усть-Сокского карьера как естественного полигона для изучения вторичных антропогенных сукцессий, экологических, анатомо-морфологических, физиологических, биохимических и биогеохимических особенностей растений позволит создать научную базу данных и сформировать ассортимент растений для рекультивации аналогичных техногенно нарушенных территорий.

Об авторах

Наталья Владимировна Прохорова

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Автор, ответственный за переписку.
Email: ecology@samsu.ru

Доктор биологических наук, профессор кафедры экологии, ботаники и охраны природы

Россия, 443011, Самара, ул. Академика Павлова, д. 1

Юлия Владимировна Макарова

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: ya.aconitum@yandex.ru

Кандидат биологических наук, ассистент кафедры экологии, ботаники и охраны природы

Россия, 443011, Самара, ул. Академика Павлова, д. 1

Алексей Алексеевич Головлёв

Самарский государственный экономический университет

Email: progol94@mail.ru

Доктор географических наук, профессор кафедры мировой экономики

Россия, 443090, Самара, ул. Советской Армии, д. 141

Мария Вячеславовна Самыкина

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: maria.samykina@gmail.com

Аспирант кафедры экологии, ботаники и охраны природы

Россия, 443011, Самара, ул. Академика Павлова, д. 1

Анжелика Михайловна Панкевич

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: antonovka2010@yandex.ru

студент биологического факультета

Россия, 443011, Самара, ул. Академика Павлова, д. 1

Список литературы

Дополнительные файлы