Species and coenotic composition of phytocoenoses in Jurassic clay dumps of the Callovian layer of the Mikhailovsky Mining and Processing Plant of Kursk Magnetic Anomaly

Full Text

Введение

Экосистемы, которые подвергались воздействию человека и претерпели в связи с этим определенные изменения, тем не менее необходимо рассматривать как части естественного ландшафта. Исходя из того, что антропогенное воздействие, как правило, нарушает почвенный покров, то, естественно, наблюдается изменение флористического состава фитоценоза на данной территории, а часто и полная его смена. При коренном изменении ландшафта, каким и является добыча полезных ископаемых открытым способом, имеет место полное уничтожение исходного биоценоза. При таких глубоких изменениях формирование почвенного покрова начинается с нулевых позиций и идет закономерно согласно смене сингенетических сукцессий всех компонентов данного биоценоза. При этом самым ярким показателем трансформации любого биологического сообщества является динамика эволюции фитоценоза.

Изменение человеком сложившихся природных комплексов порождает необходимость всестороннего изучения влияния этого изменения на растительность, почву и населяющие ее организмы [1].

Целью наших исследований явилось изучение видового и ценотического состава фитоценозов отвалов юрских глин келловейского яруса Михайловского горно-обогатительного комбината Курской магнитной аномалии.

Михайловский карьер, расположенный на северо-западе Курской области, является одним из наиболее крупных в мире. Территория разведанных запасов руд составляет около 160 тыс. км² [2].

Объекты исследования

Исследования по изучению различных характеристик отвальных территорий проводились на систематической основе на территории Михайловского карьера КМА.

Район Михайловского железорудного карьера является частью южного свода Воронежской антиклизы. Здесь породы докембрия перекрыты отложениями каменноугольного, юрского, мелового, палеогенового и четвертичного периодов, мощностью от 40 до 450 м [3].

Исходя из данных стратиграфического разреза КМА, юрские глины келловейского яруса имеют большую мощность залегания (26,25 м), составляют значительную долю в отвалах и занимают большую площадь территории зональных почв (табл. 1).

Материалы и методика исследований

Исследования фитоценозов отвалов 5-, 15-, 25-летнего возраста проводились на системной основе. На расстоянии от карьера от 1 до 3 километров.

Описание геоботанических характеристик естественного зарастания были проведены в период максимальной вегетационной активности большинства видов растений. Результаты исследований описывались по геоботаническим методикам [4].

Естественное зарастание данных территорий было изучено согласно методикам исследований биоценозов в ненарушенных [5; 6] и техногенных ландшафтах [7; 8]. Учеты велись на 60 площадках по 1 м².

Были определены: ценотический и флористический состав каждого фитоценоза, а также видовая насыщенность и характер проективного покрытия. Растения определялись с помощью определителей [9–11].

Результаты исследований и их обсуждение

Типичной зональной растительностью района являются широколиственные леса и участки луговой растительности на серых лесных и луговых почвах, а также дубравы.

Отложения келловейского яруса представлены темно-серыми глинами и характеризуются большим количеством остатков юрской фауны.

Учитывая, что каждый фитоценоз характерен для той территории, на которой он формируется в зависимости от экологических условий, то именно он является ее эдификатором, а также и наиболее ярким показателем состояния биоценоза в целом. Кроме того, растительность – это основной фактор, меняющий данный биоценоз.

К 5-летнему возрасту на глине келловея формируется пионерная двухвидовая мать-и-мачеха-хвощевая группировка. Это обусловливается тем, что условия существования сдвинуты в сторону большей влажности субстрата по отношению к зональными (полная влагоемкость серой лесной почвы 38%, глины келловея 58%) и перепада температур [12]. Чем суровее условия, тем меньше количество видов растений может начать свое развитие [13; 14].

На участках плато и в небольших микропонижениях заметно замещение хвоща лугового на вейник наземный Calamagrostis epigeios (L.) Roth. Склоны отвалов, имеющие уклон около 45°, при высоте до 30 м, имеют достаточно высокий уровень зарастания (до 75%) с монодоминантной группировкой мать-и-мачехи – вида, способного к интенсивному заселению территории с тяжелым механическим свойством благодаря корневой системе, которая располагается несколькими ярусами, достигает 1,5 м в диаметре и отличается большой сочностью, хрупкостью, способностью быстро отрастать за счет имеющихся на них почек [15].

Другие виды: полыни Artemisia, латук татарский Lactuca tatarica L., кипрей узколистый Chamerion angustifolium L., коровяк метельчатый Verbascum lychnitis L. – распространены на эродированных участках, подверженных оползням. Пальчатокоренник кровавый Dactilorhiza cruenta (O.F. Muell.) Soó встречается в единичных экземплярах и относится к охраняемым видам на территории Курской области [16; 17].

 

Таблица 1 – Стратиграфический разрез Михайловского железорудного месторождения

Геологический индекс	Средняя мощность, м	Характеристика горизонтов, толщ
Q	22,64	Покровные палевые и желтовато-бурые лёссовидные суглинки, супеси, реже глины
K1+2al + s	8,42	Пески кварцевые вверху с фосфоритовыми жевлаками и глауконитом (сеноман), ниже – без глауконита, со слюдой и мелкой фосфоритовой галькой
K2s	19,23	Песчано-глинистые отложения, преимущественно песчаные глины, с глауконитом
J3km	26,25	Глины, в верхней части не известкован., почти без фауны, в нижней части известковистые, с большим количеством фауны, с прослоями известняков; в основании – большие линзы кварцевого песка, известняка-ракушечника
J2? bt	20,28	Пески кварцевые, углистые, с прослоями и линзами черных углистых глин
D2+3	31,29	Пестроцветная толща глин, глинистых алевритов; в нижней части – доломитизированные известняки, в основании глинисто-песчано-конгломератовые отложения
PR	5,73	Переотложенные мартитовые руды
PR	12,38	Коренные железные руды плотные и рыхлые
PR	40–450	Толща железистых кварцитов

Примечание. Q – четвертичный период кайнозойской эры; K₁₊₂ – верхний и нижний период мезозойской эры (al – альбский ярус, s – сеноманский ярус); K₂ – верхний меловой период мезозойской эры (s – сеноманский ярус); J₃km – верхний юрский период мезозойской эры (km – кимериджский ярус); J₂bt – средний юрский период мезозойской эры (bt – батский ярус) – предположительно; D₂₊₃ – средний и верхний период палеозойской эры; PR – период протерозоя.

 

При обследовании юго-восточных и южных экспозиций склонов определено, что проективное покрытие на них меняется от 50% – на пологих склонах до 5% – на крутых, с оползневыми участками. Мать-и-мачеха является здесь эдификатором, реже встречается горлюха ястребинковая Pieris hieraccioides L. и коровяк метельчатый. В среднем по отвалу количество растений на 1 м² изменяется от 56 экземпляров (на северных и западных экспозициях склонов) до 26 (на восточных и южных экспозициях) при насыщенности видов от 1 до 3 – на 1 м².

Ценотический характер растительности однообразен. По числу видов значительно преобладают однолетники – до 72% и виды с стержневом корнем – 65%. Однако на большинстве участков проективное покрытие формируется под действием целого ряда случайных факторов, связанных с общей изоляцией территорий и экспозицией склонов. Особое значение имеет характеристика почвогрунта. Поэтому по проективному покрытию преобладают корневищные виды. На южных и восточных склонах, где формируются более засушливые условия, существует хаотичный характер распространения значительного количества видов растений. Дерновинные виды при этом практически отсутствуют. Тем не менее по отношению к влаге преобладающей группой по отвалу являются мезофиты – 67%.

Значительное распространение, до 34%, имеют: полынь горькая (A. absinthium L.), полынь равнинная (A. compestris L.), полынь австрийская (A. austriaca Jacq.), коровяк–медвежье ушко (Verbascum thapsus L.) и коровяк метельчатый, относящиеся к ксеромезофитам.

В группе жизненных форм преобладающее значение имеют гемикриптофиты – более 41%. Подчиненное положение у криптофитов (32%) и терофитов (27%). Хамефиты отсутствуют. Преобладающий тип возобновления по количеству видов – семенной (67%), при реальном преобладании распространения видов с вегетативно-семенного характера (рис. 1).

Древесно-кустарниковая растительность на отвалах глин келловея представлена пионерами видами, обладающими высокой микотрофностью: береза повислая Betula pendula Roth, осина обыкновенная Populus tremula L. и ива козья Salix caprea L.

За 10 лет характер растительности отвалов значительно меняется, формируя ярко выраженную простую группировку растительности – зарослево-групповое сообщество с одновидовыми или смешанными группами растений. Северо-западные склоны отвалов практически не меняют состав эдификаторов. Здесь по-прежнему представлены мать-и-мачеха и хвощ луговой. На большей части выровненных платообразных участков преобладает куртинный тип зарастания. Основным эдификатором является донник лекарственный Melilotus officinalis L., образуя куртины до 10 м². Кроме того, отмечается куртинное (до 0,5 м²) распространение клевера гибридного Trifolium hybridum L. и шуршащего Trifolium strepens L., а также рассеянное распространение мать-и-мачехи. Имея двулетний цикл развития, донник лекарственный через год уступает доминирующее значение вейнику наземному и кипрею узколистому, при единичном участии мать-и-мачехи, хвоща лугового, пастернака лесного Pastinaca sylvestris Mill. Луговые виды – одуванчик лекарственный и тысячелистник обыкновенный – имеют крайне угнетенное состояние и не дают генеративных побегов. Прочее видовое разнообразие представлено, большей частью, рудеральными видами: полыни (горькая, равнинная, австрийская, обыкновенная A. vulgare L.)., трехреберник непахучий Tripleurospermum inodorum L., льнянка обыкновенная Linaria vulgaris Mill., коровяк метельчатый и другие. На участках с разреженной растительностью отмечается достаточно стабильное распределение (1–2 растения на 1 м²) пальчатокоренника кровавого.

Проективное покрытие северных и западных склонов достигает 70–80%, при видовой насыщенности от 2 до 6 видов на 1 м². Вершины и верхние части склонов покрыты монодоминантными разреженными группировками мать-и-мачехи. Проективное покрытие составляет 10%, что связано с трудностями обсеменения этих участков, при высоте до 60 м. Южные и восточные склоны отвалов имеют небольшое проективное покрытие – до 20%, за счет разреженного травостоя сорных и рудеральных видов: мать-и-мачехи, синяка обыкновенного Echium vulgare L., горлюхи ястребинковой Picris hieracioides L., вейника наземного, пастернака лесного, сурепки обыкновенной Bunis orientalis W.T. Aiton, полыней и др. В микропонижениях отмечаются единичные растения мятлика лугового. Мать-и-мачеха утрачивает доминирующее значение.

В ценотическом составе травостоя 15-летних отвалов наблюдается увеличение доли двулетников и уменьшение однолетников, что связывается с усложнением видового состава, появлением новых видов: клеверов (лугового T. pratense L., гибридного, шуршащего, ползучего T. repens L.), донников (белого M. albus Medik., лекарственного), люцерн (серповидной Medicago falcate L., хмелеватой Medicago lupulina L.) и других.

В связи с этим в соотношении жизненных форм имеются существенные изменения. В особенности резко меняется соотношение терофитов и хамефитов. Появляется значительная доля хамефитов, что в свою очередь связано с уменьшением доли однолетников. По отношению к влаге наблюдается увеличение доли мезофитов. По типу возобновления преобладают растения с семенным и вегетативно-семенным размножением, что также связано с усложнением видового состава (рис. 1).

25-летние овалы имеют в основном платообразный рельеф, на котором преобладают сообщества группово-зарослевого типа.

Древесная растительность имеет разреженный характер с преобладанием березы (высотой до 17 м) и сосны обыкновенной (1,5–2 м). На возвышенностях встречаются осина и дуб Quercus robur L.

Возвышенные участки заняты донником лекарственным (до 95 экземпляров на 1 м²). Такие куртины имеют различный размер, максимально – 55 м². Во время следующего вегетационного периода (через 1 год) донник лекарственный имеет только 10% проективное покрытие.

 

Рисунок 1 – Ценотический состав растительности глин келловея и ненарушенной серой лесной почвы (контроль). А – по продолжительности жизни (1 – многолетники, 2 – двулетники, 3 – однолетники); Б – по расположению почек возобновления по отношению к поверхности почвы (1 – гемикриптофиты, 2 – криптофиты, 3 – терофиты, 4 – хамефиты); В – по типу подземных органов (1 – стежнекорневые, 2 – корневищные); Г – по отношению к влаге (1 – мезофиты, 2 – ксеромезофиты); Д – по типу преобладания возобновления (1 – семенное, 2 – вегетативно-семенное, 3 – семенно-вегетативное)

 

В годы слабого разрастания донника лекарственного существенное развитие имеет донник белый с куртинным характером зарастания до 30 м² и небольшой плотностью зарастания. Межкуртинные пространства заняты разнотравьем (до 145 растений на 1 м²) [18; 19].

Для микропонижений отмечено разреженное зарастание единичных экземпляров щавеля птичьего Rumex acetosa L., ястребинки зонтичной Hieracium umbellatum L., моркови дикой Daucus carota L., мятлика лугового, полыни горькой. Отдельные микропонижения заняты зарослями полевицы гигантской Agrostis gigantea Roth и тростника южного Phragmitеs australis (Cav.) Trin. ex Steud. Вейник наземный, кипрей узколистный, зверобой продырявленный Hypericum perforatum L. представлены единичными экземплярами, в целом до 30 экземпляров на 1 м².

На северных и западных эродированных склонах отвалов сформировалось пионерное сообщество с доминированием мать-и-мачехи при подчиненном произрастании кипрея узколистного, пастернака лесного, земляники лесной, хвоща лугового и при проективном покрытии 5–10%.

Южные и восточные экспозиции склонов слабо эродированы, имеют достаточно высокую степень задернения, но небольшое количество влаги обеспечивает слабое проективное покрытие (до 35%). Преобладающими видами здесь являются вейник наземный и мать-и-мачеха.

В блюдцевидных понижениях формируются небольшие озера с азональной растительностью, где преобладающими являются тростник обыкновенный, рогоз широколистный Typha latifolia L., частуха подорожниковая Alisma plantago-aquatica L.

Анализ ценотического состава показал, что колебание количества однолетников и многолетников на отвалах имеет колебательный характер и в большей степени зависит от их близости к естественным ценозам, а также с заменой растений одной жизненной формы другими видами. Так, отмечено выпадение пионерных видов [20]. При этом увеличивается количество корневищных видов (рис. 1).

Выводы

1. Выявлено, что к 5-летнему возрасту на глине келловея формируется пионерная группировка, где доминантными видами являются мать-и-мачеха и хвощ луговой при среднем количестве растений на 1 м² от 56 до 26 экземпляров и с видовой насыщенностью от 1 до 3 – на 1 м². Ценотическая характеристика отвалов отличается однообразием, где преобладают корневищные виды.
2. Определено, что на 15-летних отвалах формируется простая группировка – зарослево-групповое сообщество с одновидовыми или смешанными группами растений с видами-эдификаторами: мать-и-мачеха и хвощ луговой или куртинным типом зарастания (от до 0,5 м² до 10 м²) с эдификаторами: донник лекарственный, клевер гибридный и шуршащий, вейник наземный, кипрей узколистный и небольшим количеством других луговых видов. В ценотическом отношении отмечается уменьшение доли корневищных растений и увеличение доли хамефитов и мезофитов.
3. Сравнительный анализ показал, что на 25-летних отвалах преобладают сообщества группово-зарослевого типа, занятые донником лекарственным, что в значительной степени не приближается к уровню зонального фитоценоза по многим показателям: по видовому составу, по продолжительности жизни. По прочим показателям ценотического состава имеют место скорее колебательные изменения с незначительным приближением к характеристикам зональных фитоценозов. В основном это связано с тяжелым гранулометрическим составом глин келловейского яруса [20].

About the authors

Antonina V. Golovastikova

Kursk Institute of Cooperation (branch) of Belgorod University of Cooperation, Economics and Law

Email: golovastikova.a.v@mail.ru

candidate of agricultural sciences, associate professor of Merchandising and Technology Disciplines Department

Russian Federation, Kursk

Olga V. Nagornaya

Kursk State Agricultural I.I. Ivanov Academy

Author for correspondence.
Email: nagornayaov@yandex.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology, Horticulture and Plant Protection Department

Russian Federation, Kursk

References

Supplementary files