Natural forming of vegetation cover on black coal mining dumps in the environs of Kopeysk (Chelyabinsk Oblast)

Full Text

Введение

Добыча полезных ископаемых закрытым (шахтным) способом сопровождается выемкой «пустых» шахтных горных пород или некондиционных ископаемых с образованием породных (горных) отвалов. Такие отвалы образуют систему искусственно созданных возвышенностей или терриконов (в Челябинской области говорят «терриконики»). При этом кардинально меняется ландшафт территории, а на дневную поверхность выносятся грунты различного генезиса, минералогического состава и литологии, разновидности, гранулометрического состава, физических и физико-химических свойств, химизма и токсичности. Вступая во взаимодействие с абиотическими факторами среды, эти грунты формируют экотопы, характеризующиеся высочайшей пестротой и комплексностью субстратов, зачастую нехарактерных для данной территории.

Такие нарушенные территории должны рекультивироваться, как в процессе добычи полезных ископаемых, так и по окончании работ. Однако в силу разного рода причин, среди которых отметим политико-экономические, наиболее ярко проявившиеся с 1990-х гг., рекультивационные работы далеко не всегда проводись в должном объеме или не проводились вообще. В результате чего территории забрасывались и на них активно начали развиваться процессы естественного зарастания с формированием своеобразных растительных сообществ.

В Челябинской области примером такой территории являются отвалы добычи каменных углей в окрестностях г. Копейска. Город расположен в 12 км юго-восточнее от административного центра Челябинской области г. Челябинска в лесостепной зоне резко континентального климата с удаленностью около 160 км к востоку от Уральских гор, на границе Западной Сибири и Южного Урала. История копейских шахт уходит своими корнями в начало XX века, когда в окрестностях поселка Тугайкуль Челябинской станицы Оренбургского казачьего войска инженером С.А. Подъяконовым были разведаны угольные пласты [1]. Первая шахта «Екатерина» была открыта в 1907 г. – фактически, год основания Копей (будущего Копейска), что и ознаменовало появление одной из «угольных столиц» страны.

После установления Советской власти по распоряжению В.И. Ленина на копейские рудники были посланы специалисты и рабочие из других промышленных центров. В 20-е годы к рудникам подвели железнодорожную ветку. С 1933 г. начался бурный рост города и строительство новых шахт, среди которых необходимо отметить «Подозёрную» (разработки велись под осушенным оз. Камышное), «Комсомольскую» и «Капитальную», располагавшихся в 1–2 километрах друг от друга.

Однако с начала 1990-х гг. шахты начали активно закрываться исходя из экономических соображений, а сам процесс консервации затянулся вплоть до текущего времени [2]. По окончании разработок и консервации шахт работы по рекультивации не были проведены должным образом. На данный момент, фактически, территория шахтных полей вместе с терриконами оказалась заброшенной. Объекты не регулируются и не охраняются – доступ к ним свободный. В результате этого в течение порядка 30 лет на терриконах и пространствах между ними идут процессы естественного формирования растительного покрова.

Подобные процессы естественного зарастания шахтных отвалов на территории Южного Урала изучаются достаточно давно. В частности, еще в 1960–70-е годы детально были исследованы процессы естественного зарастания отвалов Челябинского буроугольного бассейна (Красносельского, Еманжелинского и Коркинского участков) с оценкой видового состава и экоморф видов, формирующих пионерные сообщества [3]. В настоящее время эти исследования для Челябинского буроугольного бассейна актуализированы с детальной биоэкологической оценкой формирующихся парциальных флор и характеристикой динамики растительных сообществ [4; 5].

Для Копейского бассейна актуальных исследований сравнительно немного. В первую очередь они связаны с исследованиями физических свойств и химизма грунтов терриконов и прилежащих территорий, а также их токсичности и влияния на состояние окружающей среды [6; 7]. Данные о видовом составе флоры, формирующейся при зарастании терриконов Копейского бассейна, изучены частично [5] и, хотя и показывают их сходство с флорой, формирующейся на отвалах Коркинского буроугольного бассейна, однако требуют более детального рассмотрения.

Таким образом, задачей данной работы является оценка растительности и биотопов, формирующихся в результате процессов естественного зарастания терриконов и межтерриконных участков Копейского каменноугольного бассейна.

Объект и методы

Геоботанические исследования в окрестностях г. Копейска проводились в летние периоды 2022–2023 гг. Пробные площадки закладывались и описывались согласно общепринятой методике. Всего проведено 51 геоботанических описаний терриконов и межтерриконных участков шахт «Подозёрная», «Центральная» и «Комсомольская». Флористический список, сформированный по результатам обработки описаний, выверялся по сводке П.В. Куликова [8].

Предварительная классификация описаний выполнялась кластерным анализом с использованием индекса Сёренсена–Чекановского с группировкой кластеров по бета-гибкой стратегии Ланса [9; 10], а ординация – методом неметрического многомерного шкалирования [10; 11]. В связи с тем, что растительный покров не является сформированным с точки зрения классических биогеоценотических подходов, а классификация растительных группировок опиралась в первую очередь на формальные методы многомерной статистики, то выделенные группировки рассматривались как фитоценохоры [12].

Соответствующие фитоценохорам биотопы оценивались с использованием унифицированных экологических шкал почвенного увлажнения (hd) и его переменности (fh), солевого (sl), азотного (nt) и кислотного (rc), режимов, режима кальция (Са) и почвенной аэрации (аe), термо- (tm) омбро- (оm) и криоклимата (Cr), континентальности (Kn) и освещенности (lc) [13] с оценкой классификации в осях неметрического многомерного шкалирования и экологических шкал дискриминантным анализом [9]. Оси ординации сопоставлялись с показателями режимов ведущих экологических факторов методом корреляционного анализа [14] с использованием коэффициента тау-Кэндалла.

Расчеты выполнялись в пакетах прикладных программ Microsoft Excel, Statistica и PC-ORD.

Результаты и обсуждение

Всего в описаниях было определено 88 видов сосудистых растений. В рассмотренных выше работах указывается, что естественное зарастание отвалов идет с формированием травянистых сообществ [3] и только в отдельных случаях обнаружен подрост берез (Betula pendula Roth и B. pubescens Ehrh.) [5]. Доля древесно-кустарниковых видов в описаниях возрастает при длительных (свыше 10 лет) наблюдениях за процессами зарастания и при наличии источников диаспор древесных пород [4]. В наших исследованиях обнаружено 7 представителей древесной растительности (около 11% флоры) с порядка 40% встречаемостью и высоким обилием как, например, Betula pendula и Acer negundo L., формирующих разреженный (на отдельных участках уже сомкнутый) древесный полог. Клен американский в насаждениях уже представлен активно плодоносящими генеративными особями. При этом именно древесные виды играли одну из ведущих ролей при выделении фитоценохор.

Всего при кластеризации определяется 15 фитоценохор:

1. травяно-рудеральная, кластер объединяет описания с небольшим числом различных видов травянистых рудерантов, для описаний общим является наличие Convolvulus arvensis L.;
2. тонконоговая (Koeleria cristata (L.) Pers.);
3. гривистоячменево-вейниковая (Hordeum jubatum L. + Calamagrostis epigeios (L.) Roth), также видами, определяющими выделение ценохоры, являются Berteroa incana (L.) DC. и Melilotus officinalis (L.) Pall.;
4. рудерально-гривистоячменно-полынная (Hordeum jubatum + Artemisia absinthium L.), рудеральная компонента представлена Saussurea amara (L.) DC., Cicerbita uralensis (Rouy) Beauverd и галофильным Halimione verrucifera (Bieb.) Aell., вероятно данная ценохора является одной из сукцессионных стадий формирования травянистых сообществ на галофильных субстратах в процессе снижения уровня минерализации эдафотопов;
5. американскокленовник гривистоячменно-полынный (Acer negundo L. – Hordeum jubatum + Artemisia campestris L. + Artemisia vulgaris L.), вероятно, данная ценохора является одной из стадий сукцессии по формированию древесного ценоза из гривистоячменно-полынных сообществ в связи с активной инвазией клена американского, образующего древесный полог;
6. галофильные бассиевые (Bassia hirsuta (L.) Aschers.), также для ценохоры характерна Artemisia absinthium;
7. березняк вейниковый (Betula pendula Roth – Calamagrostis epigeios), ценохора, вероятно, представляет собой одну из сукцессионных стадий формирования березовых сообществ, анализ описаний показывает два пути их образования в связи с особенностями увлажнения, также в описаниях отмечается единичное появление Pinus sylvestris L., что указывает на возможное дальнейшее направление сукцессии в сторону формирования сосняков;
8. горькополынно-вейниковые (Calamagrostis epigeios + Artemisia absinthium);
9. обыкновеннополынно-вейниковые (Calamagrostis epigeios + Artemisia vulgaris);
10. американскоклено-березняк типчаковый (Betula pendula + Acer negundo – Festuca valesiaca Gaud.) для ценохоры также характерен иван-чай (Chamaerion angustifolium (L.) Holub);
11. американскоклено-березняк рудеральный (Betula pendula + Acer negundo) для травостоя характерны Cicerbita uralensis, Achillea millefolium L., а также другие рудеральные виды;
12. иван-чай-полынные (Chamaerion angustifolium + Artemisia campestris);
13. рудерально-вейниковые (Cicerbita uralensis + Calamagrostis epigeios);
14. американскоклено-вязо-березняк разнотравный (Acer negundo + Ulmus glabra Huds. + Betula pendula) – кластер объединяет описания вязо-березняков с участием клена американского, для которых в травостое в разных описаниях встречаются Calamagrostis epigeios, Festuca valesiaca, Koeleria cristata, Hordeum jubatum, вероятно, данная ценохора характерна для начальных стадий формирования березовых и вязовых лесных сообществ из травянистых;
15. американскокленовник обыкновеннополынный (Acer negundo – Artemisia vulgaris), ценохора, судя по всему, характеризует одну из стадий инвазии клена американского в полынные сообщества.

Рассчитанные по геоботаническим описаниям фитоиндикационные величины ведущих экологических факторов показали биотопическую специфичность выделенных фитоценохор – правильность классификации при дискриминантном анализе в пространстве этих факторов и осей неметрического шкалирования 100% практически для всех фитоценохор. Исключение составили американскоклено-березняки типчаковые (75%), биотопически близкие американскоклено-березнякам рудеральным.

Статистически значимыми факторами дискриминации оказались все функции неметрического шкалирования (ценотические факторы), криорежим, терморежим, переменность почвенного увлажнения и освещенность. Фактически, из имеющихся факторов только переменность увлажнения определяется особенностями грунтов отвалов, остальные факторы в первую очередь указывают на влияние полога древесных пород или его отсутствие.

Фитоиндикационнными методами режимы ведущих абиотических факторов биотопов обследованных ценохор указывают на их биотопические особенности (табл. 1).

 

Таблица 1 – Характеристика биотопов, формирующихся при естественном зарастании отвалов добычи каменного угля в окрестностях г. Копейска, балл

Фитоценохора	Режим биотопа
	hd	fh	rc	sl	Ca	nt	ae	tm	om	Kn	Cr	lc
1	10,4	6,7	8,7	8,4	7,0	6,8	6,6	9,5	11,6	9,2	8,2	7,4
2	10,1	6,6	8,2	8,0	7,3	5,5	5,9	8,8	12,0	9,1	8,1	7,6
3	10,3	7,1	8,3	8,0	6,8	5,7	5,8	8,5	12,0	9,6	7,6	7,7
4	11,4	6,7	9,3	9,0	6,5	6,6	6,7	8,7	11,9	9,9	7,5	7,8
5	10,5	6,2	8,7	8,8	7,2	6,1	6,0	9,0	11,2	9,7	8,2	7,5
6	11,5	5,6	10,9	11,8	7,0	7,2	6,8	9,4	9,6	10,0	8,6	8,1
7	10,6	7,1	7,4	7,1	6,2	5,5	5,7	8,8	12,1	9,8	7,7	7,6
8	10,6	7,6	8,0	8,2	6,7	5,9	5,8	8,4	12,3	9,6	7,4	7,8
9	10,9	7,3	7,3	7,5	6,7	5,5	5,7	8,5	11,9	9,4	7,7	7,4
10	11,0	6,5	7,6	7,4	6,8	5,6	6,1	8,8	12,1	9,4	7,5	7,2
11	10,9	6,5	7,5	7,3	6,7	5,7	6,0	8,8	12,1	9,5	7,8	7,2
12	10,4	6,6	7,5	7,7	7,4	5,5	6,1	8,8	11,7	9,6	7,8	7,3
13	11,1	6,5	7,8	7,9	6,6	6,5	6,1	8,5	11,8	9,6	7,8	7,2
14	10,7	6,8	7,9	7,9	6,8	6,0	6,1	8,7	12,0	9,2	8,0	7,3
15	10,9	6,1	7,7	7,7	7,1	6,0	6,2	9,3	11,4	9,9	8,3	6,3

 

 Во-первых, наиболее экстремальными показателями биотопов, резко отличающихся от прочих, характеризуется галофильная бассиевая ценохора (6) – см. табл. 1. Для нее определяются наибольшие показатели режимов почвенного увлажнения (переходный от свежих к влажным лесолуговым с полным промачиванием корнеобитаемого слоя), кислотности почв (щелочной), солевого режима почв (переходный от слабо- к среднезасоленному), достаточно обеспеченные азотом почвы умеренно аэрированные, а также самые низкие показатели переменности почвенного увлажнения – переходный от умеренно до неравномерно переменного. По климатическим режимам биотопы бассиевых ценохор характеризуются высокими показателями термо- (субмезотермный) и криорежима (мягких зим), достаточно резкими перепадами температур (режим континентальности), самым низким показателем омброрежима и самыми высокими показателями освещенности.

Второй по экстремальности биотопов является ценохора рудерально-гривистоячменно-полынная (4) – см. табл. 1, со сходными с бассиевой режимами почвенного увлажнения, аэрации почв, амплитуды температур и освещенности, но значительно меньшими величинами режимов почвенной кислотности (нейтральный) и солевого режима почв (богатые солями без явных признаков засоления). Также ценохора характеризуется сравнительно низким показателем криорежима (умеренные зимы).

Для остальных биотопов шахтных отвалов окрестностей г. Копейска фитоиндикационными показателями определяются следующие режимы ведущих абиотических факторов:

• – почвенное увлажнение в пределах степного – сухолесолугового (мезоксерофитного – ксеромезофитного) типов с преимущественно весенним промачиванием и дефицитом влаги во второй половине лета, наименьший режим характерен для тонконоговых ценохор;
• – переменность почвенного увлажнения в пределах умеренно неравномерного и неравномерного промачивания, максимальные показатели (переходный к чрезвычайно неравномерному режиму промачивания) характерны для горькополынно-вейниковых ценохор;
• – кислотность почв в пределах слабокислого режима с наименьшими показателями, характерными для обыкновеннополынно-вейниковых ценохор;
• – солевой режим в пределах режима достаточно богатых солями эдафотопов с минимальными показателями (обогащенные солями почвы – аналог солевого режима выщелоченных черноземов), характерными для березняков вейниковых;
• – для биотопов в среднем характерно незначительное содержание почвенного кальция (аналог серых лесных почв или солонцов), однако наименьший (отсутствие карбонатов) режим кальция идентифицируется для березняков вейниковых;
• – биотопы характеризуются как бедные минеральным азотом (0,2–0,3%), при этом достаточно обеспеченные азотом биотопы идентифицируются для травяно-рудеральных сообществ;
• – биотопы определяются как переходные между значительно и умеренно аэрированными с недостаточным промачиванием корнеобитаемого слоя почвы;
• – терморежим субмезотермного типа (близкий к неморальному типу), омброрежим (атмосферные осадки) переходный от гумидного к пергумидному типу, контрастопы (континентальность) переходного к субконтинентальному типу (близкий к резко континентальному) при переходном к мягким зимам режиме криоклимата;
• – режим освещенности - от полутеневого (американскокленовники) к осветленному и светлому.

Поскольку оси неметрического многомерного шкалирования (NMS) по результатам дискриминантного анализа определяются как статистически значимые для дискриминации выделенных фитоценохор, то чрезвычайно важным является характер связи этих осей с режимами ведущих абиотических факторов (табл. 2). Все три оси ординации статистически значимо связаны с режимами кислотности почв и их минерализацией. При этом вторая ось является антагонистом первой и третьей. Также вторая и третья оси статистически значимо коррелируют с режимом почвенного азота и аэрации, являясь также антагонистами по этим режимам. Первая ось определяется увеличением кислотности и уменьшением минерализации почвенного раствора при росте терморежима и затененности. Судя по всему, это ось сильватизации, связанная с формированием лесных сообществ при зарастании отвалов. Вторая ось, наоборот, связана с ростом щелочности и минерализации почвенного раствора, а также нарастанием содержание в почве азота и снижением аэрации почв. Также она отрицательно коррелирует с омброрежимом (нарастание аридности) и положительно с криорежимом (рост суровости зим). Судя по всему, это факторы, определяющие травянистые полынные и галофильные ценозы. Третья ось коррелирует, преимущественно, с эдафическими факторами, связанными с рассолением и ростом кислотности, снижением азота и ростом аэрации, а также нарастанием переменности почвенного увлажнения. Предварительно эту ось можно определить как связанную с сукцессией негалофитных травянистых сообществ.

 

Таблица 2 – Идентификация осей многомерного шкалирования биотопов, формирующихся при естественном зарастании отвалов добычи каменного угля в окрестностях г. Копейска

Оси

Режим биотопа

hd

fh

rc

sl

Ca

nt

ae

tm

om

Kn

Cr

lc

NMS 1

0,11

−0,18

−0,37

−0,39

0,01

−0,18

0,00

0,24

0,03

−0,06

0,04

−0,59

NMS 2

0,12

−0,12

0,28

0,35

0,07

0,43

0,22

−0,03

−0,45

0,31

0,20

0,05

NMS 3

0,04

0,32

−0,37

−0,23

−0,31

−0,25

−0,30

−0,19

0,14

0,08

−0,28

0,03

Примечание. Полужирным выделены статистически значимые величины тау-Кендалла.

 

В связи с тем, что первая и вторая оси неметрического многомерного шкалирования (NMS) выявлены как антагонисты по абиотическим факторам среды, то ординация фитоценохор выполнялась в этих осях (рис. 1: А). А в эколого-ценотическом пространстве – двумя способами: по матрице квадрата расстояния Махаланобиса методом максимального корреляционного пути [15] (рис. 1: Б) и в пространстве первых двух дискриминантных функций (рис. 1: В).

 

Рисунок 1 – Ординация фитоценохор, формирующихся при естественном зарастании отвалов добычи каменного угля в окрестностях г. Копейска: А – в первых осях неметрического многомерного шкалирования (NMS 1, NMS 2); Б – методом максимального корреляционного пути (цифрами указан квадрат расстояния Махаланобиса); В – в первых осях дискриминантных функций (Root 1, Root 2)

 

Выделенные ценохоры в ценотических осях формируют систему рядов ценотических замещения в виде «креста». В «центре» него расположены американскоклено-вязо-березняки разнотравные (14) и травяно-рудеральные группировки (1). Влево вверх наблюдается ряд от гривистоячменево- (3) и горькополынно-вейниковых (8) и, далее, рудерально-гривистоячменно-полынных (4) ценохор к бассиевым галофильным сообществам. Данный ряд указывает на галофильную ценотическую сукцессионную серию естественного зарастания. Вправо вниз идут ценохоры березняков вейниковых (7) и тонконоговых (2) – гидрофильная серия. Справа расположена группа ценохор американскоклено-березняков типчаковых (10), американскоклено-березняков рудеральных (11) и иван-чай-полынных. Это ряд сильватизации, связанный с березняками вейниковыми (7) и американскоклено-вязо-березняками разнотравными (14). Наконец, вправо вверх идут ряды вейниковых и полынных сообществ, в которых отмечается активная инвазия клена американского. Необходимо отметить, что в указанном «кресте» одновременно прослеживаются как ряды травянистых фитоценохор, так и сообществ с участием древесных пород, что указывает на параллельно идущие в сходных экологических условиях сукцессии травянистых и древесных сообществ.

Однако в эколого-ценотическом пространстве ряды фитоценохор и их биотопические «центры» определяются более четко. Так, в пространстве расстояния Махаланобиса (рис. 1: Б) видны два биотопических «центра» – сильвантный лесной и пратантный луговой:

1. сильвантный формируют американскоклено-березняки типчаковые (10) и рудеральные (11), с которыми биотопически и сукцессионно связаны американскоклено-вязо-березняки разнотравные (14) и рудерально-вейниковые (13) и иван-чай-полынные (12) ценохоры (рис. 1: В), с этим центром связаны и американскокленовники обыкновеннополынные (15), отличающиеся условиями климатопа;
2. пратантный центр образуют гривистоячменево-вейниковая (3) и горькополынно-вейниковые (8) ценохоры, с ним связан достаточно специфический рудеральный сукцессионный ряд гривистоячменно-полынной (4) и травяно-рудеральной (1) ценохор, судя по всему являющийся начальными этапами пратантной экологической серии.

Оба эти центра достаточно изолированы, тонконоговые сообщества (2) занимают промежуточное между ними положение, как наиболее ксерофильные и в зависимости от динамики увлажнения, включающиеся в сукцессионную серию как пратантных, так и сильвантных сообществ.

Галофильная бассиевая (6) ценохора и американскокленовники гривистоячменно-полынные (5) как крайне специфичные по ценотической структуре и биотопам «выпадают» из общего ряда биотопического и ценотического замещения. Судя по всему, необходимы дополнительные исследования для выявления промежуточных между ними и прататнтным или силвантным «центрами» сообществ и биотопов.

Наконец, отдельно в эколого-ценотическом пространстве определяются березняки вейниковые (7). Судя по всему, это начальная стадия образования южно-уральских березняков вейниковых, которые могут формироваться как из сильвантного, так и пратантного рядов, что требует дополнительных исследований.

Выводы

Таким образом, проведено геоботаническое обследование территории терриконов и межтерриконных участков Копейского каменноугольного бассейна. В результате исследований определено 88 видов сосудистых растений, из которых 7 относятся к древесным видам, что указывает на формирование лесных сообществ на обследуемой территории.

Методами многомерной статистики выделено 15 групп описаний, рассматриваемых в качестве фитоценохор. Выделенные ценохоры характеризуются биотопами и растительными сообществами, специфичными по режимам экологических факторов и ценотической структуре. Установлено, что в обследованных растительных сообществах наряду с формированием луговых ценозов идут процессы сильватизации с формированием березовых лесных сообществ. Активную роль в формировании лесных сообществ играет такой инвазивный вид как Acer negundo L.

Методами фитоиндикации для обследованных отвалов Копейского каменноугольного бассейна определены ведущие режимы эдафических и климатических факторов, которые связаны с выделенными растительными ценохорами. В формировании ценотической структуры исследованных сообществ ведущую роль играют минерализация и кислотность почвенного раствора, аэрация и переменность увлажнения почв. В связи с образованием древесного полога в формировании травостоя начинают играть роль изменение факторов климатопа.

Для обследованных отвалов Копейского каменноугольного бассейна установлены сильвантные (лесные) и пратантные (луговые) ряды эколого-ценотического (биотопического) замещения, которые также являются и сукцессионными рядами растительных сообществ, формирующихся в процессе естественного зарастания терриконов и межтерриконных пространств. Показано, что процессы образования луговых и лесных ценозов идут параллельно. Поставлен вопрос о дополнительных исследованиях для выявления в сукцессиях промежуточных стадий, с целью определения единой схемы естественного зарастания каменноугольных отвалов с возможным ее использованием при планировании биологического этапа рекультивации.

About the authors

Nazar N. Nazarenko

South Ural State Humanitarian Pedagogical University; South Ural State Medical University

Author for correspondence.
Email: 1000nnn@rambler.ru

doctor of biological sciences, professor of Chemistry, Ecology and Chemistry Methodology Department, professor of Biochemistry Department named after R.I. Lifshits

Russian Federation, Chelyabinsk; Chelyabinsk

Xenia A. Dolgonos

South Ural State Humanitarian Pedagogical University

Email: dornerksen02@gmail.com

student of Natural Sciences and Technologies Faculty

Russian Federation, Chelyabinsk

References

Supplementary files