Состояние пустынных фитоценозов Республики Казахстан на территориях аварийного падения ракет-носителей

1. Общая характеристика растительного покрова на местах аварийных падений РН в период самовосстановления сообществ.

Зоны техногенных нарушений сообществ, выделенные по окончании работ по рекультивации (для места падения РН «Протон-М» 2013 г. - работ по первичной детоксикации), на момент обследования в 2017-2018 гг. также хорошо диагностируются (табл. 2). Выявляемые сообщества не соответствуют фоновым фитоценозам в полной мере, что свидетельствует о незавершённости восстановления ни в одной из обследованных зон.

В зоне 1 на рекультивированных местах падения после засыпки воронки вследствие просадки грунта образовалось понижение, способствующее перераспределению влаги и формированию сообщества с преобладанием однолетников: климакоптеры шерстистой (Climacoptera lanata), солянки Паульсена (S. paulsenii), солянки многолистной (S. foliosa), бассии иссополистной (Bassia hyssopifolia), петросимонии сизоватой (Petrosimonia glaucescens) и др.. На участке МП РН «Протон- М» 2013 г. до проведения рекультивации к 2017 г. солянковое сообщество также сформировалось в воронке на месте ЦМУ.

В зоне механического воздействия техники (зоне 2) при отсутствии фитомелиорации сохраняется разреженный растительный покров с преобладанием однолетников (преимущественно рогача песчаного - Ceratocarpus arenarius) и эфемероидов. При этом, хотя однолетники доминируют в обеих зонах, видовой состав их различается: перераспределение поверхностного стока в понижение зоны 1, а также сильное механическое воздействие приводит к преобладанию в зоне 2 более ксерофитных рудеральных видов, главным из которых является рогач песчаный (Ceratocarpus arenarius).

Термическое и пирогенное воздействие в зоне 3 привело к уничтожению не только сравнительно высокорослых деревьев и кустарников, но и надземных частей полукустарничков (полыни - Artemisia spp., ежовника солончакового - Anabasis salsa), кустарничков (солянки восточной - Salsola orientalis) и травянистых растений. Впоследствии у особей многолетников с глубоким залеганием почек возобновления, например, дерновинных злаков из родов ковыль (Stipa) и житняк (Agropyron), уже в следующем вегетационном сезоне после термического воздействия и/или пожара (а в некоторых случаях - и в текущем сезоне) образуются новые побеги, тогда как полукустарнички (например, полыни подрода Seriphidium, широко распространённые в данных природных зонах) возобновляются главным образом за счёт заноса семян с прилегающих территорий. В случаях пирогенного воздействия доминантами сообществ могут становиться виды, толерантные к пожарам, тогда как при более мягком термическом воздействии сохраняется большее количество исходных особей кустарничков и полукустарничков, способствующих быстрому восстановлению исходного фитоценоза.

Таблица 2. Степень модификации фитоценозов на обследованных участках мест падения РН с характеристикой преобладающих на момент обследования видов растений.

Примечания к таблице 2: *А - соотношение жизненных форм в сообществе, Б - 1П1 однолетников (в % от ОПП), В - снижение ОПП растительности (% от исходного; табл. 1); ** - не применим, поскольку виды-доминанты исходной растительности отсутствуют, а ОПП превышает фоновые значения.

В зоне 4 на участке места падения РН «Днепр» 2006 г. уничтоженные взрывной волной деревья и кустарники, до падения главным образом представленные Haloxylon aphyllum, не восстановились на позициях доминантов сообществ. В 2018 г. в этой зоне преобладают полукустарнички: солянка восточная (Salsola orientalis) и ежовник солончаковый (Anabasis salsa), а особи H. aphyllum встречаются единично и разрозненно. На других местах аварийных падений, где изначально преобладала полукустарничковая растительность, доминанты не сменились. При этом на всех исследованных участках в результате оказанного воздействия в сообществах повышена доля видов - однолетников за счёт локальных механических нарушений растительного покрова.

2. Сравнительная характеристика самовосстановления растительного покрова на местах аварийных падений РН «Днепр» 2006 г. и «Протон-М» 2013 г.

При сопоставлении флористической насыщенности и проективного покрытия сообществ в разных зонах техногенных нарушений обследованных участков можно выявить общие закономерности, несмотря на значительные различия в первоначальном состоянии мест падения РН (разные типы почв и растительность, различные обстоятельства падения РН, продолжительность детоксикации и др.).

Характерной чертой растительного покрова в зонах 1 и 2, а также, в ряде случаев, в зоне 3, является повышенная (70-90%) доля однолетников во флористическом составе относительно условно фоновых сообществ (рис. а, б), что особенно ярко проявляется при рассмотрении 1U1 (рис. в, г). Многолетники в зонах 1 и 2, как правило, представлены одиночными эфемероидами или проростками полукустарничков, не формирующими значительного проективного покрытия. В зоне 1 в составе обоих сообществ отмечается значительное участие Climacoptera lanata, но флористический состав места падения РН «Протон-М» 2013 г. более разнообразен (табл. 2).

Рис. Флористическая насыщенность (а, б) и проективное покрытие техногенных нарушений на участках мест падения РН «Протон -М» Для гистограммы используется левая шкала оси ординат, для пунктирного графика - правая шкала

Начиная с зоны 3, доля однолетников как во флористическом составе, так и в 11П сообществ снижается. На обоих рассмотренных местах падения РН для фонового сообщества 11П однолетников составляет около 2%. При этом характер изменения значений ОПП растительности при движении от центра места удара к фоновой территории существенно различается. В рогачёвых сообществах (с преобладанием Ceratocarpus arenarius) и дерновинно-злаковых сообществах (c преобладанием Agropyron fragile и Stipa hohenackeriana) на участке места падения РН «Протон-М» 2013 г. ОПП растительности в зоне 2 существенно не отличается от отмеченного в зоне 1, а начиная с зоны 3 быстро восстанавливается, приближаясь к фоновым значениям. В то же время для саксаулово-солянковых сообществ на месте падения РН «Днепр» характерно максимальное покрытие (превышающее фоновое в 3 раза) для участков в зоне 1 и минимальное покрытие (в 3-5 раз меньше фонового) в зонах 2 и 3, что, по всей видимости, связано с формированием благоприятных условий для произрастания однолетников в техногенных просадках и промоинах в центре места удара и оказанным механическим воздействием на почву в пределах зон 2 и 3.

В обоих случаях для зоны 4 доля однолетников как во флористическом составе, так и в проективном покрытии отличается от фоновых значений несущественно, вследствие чего по данному параметру механическое воздействие, оказываемое взрывной волной и разбрасываемыми фрагментами, можно рассматривать как незначительно влияющее на сообщества, особенно в случае полынных и дерновинно-злаковых фитоценозов.

Выделенные на аварийных местах падения РН зоны техногенных нарушений исходных фитоценозов представляют собой участки, на которых наблюдается сукцессия растительного покрова, в большинстве случаев направленная на самовосстановление исходных сообществ и снижение степени модификации сообщества (табл. 2). На протяжении периода самовосстановления наибольшей степенью модификации характеризуются растительные сообщества зон 1 и 2. Восстановление сообществ в данных зонах будет занимать длительное время и, по всей видимости, не всегда возможно - в условиях техногенной просадки грунта на месте бывшей воронки вероятно формирование фитоценозов, характерных для более гидроморфных условий. Степень участия многолетников во флористическом составе сообществ данных зон могут определять 2 положения.

1) Рразница микроклимата, обусловленная градиентом и перепадом высот. В центре места падения РН «Протон-М» 2013 г. сохранилась воронка глубиной более 2 м с относительно крутыми склонами, в которой наблюдается наиболее интенсивное самовосстановление растительности. Наличие здесь большего количества многолетников, в т.ч. проростков Artemisia terrae-albae, может быть следствием более благоприятных условий для приживания проростков: увеличение увлажнения почвы за счёт перераспределения поверхностного стока, уменьшение испарения и нагрева при частичном затенении крутыми склонами. В свою очередь, после засыпки взрывной воронки от РН «Днепр» спустя 12 лет общая глубина просадки грунта не превышает 1 м, а развитие относительно сомкнутых микрогруппировок (Climacoptera lanata, Salsola foliosa и др.) приурочено к отдельным промоинам глубиной до 50 см;

2) Меньший радиус зоны 2 (механического воздействия техники) и различный характер воздействия. На участке места падения РН «Протон-М» данная зона представлена относительно узкой (до 25 м) полосой боронования почв после экскавации, а не областью «скальпирования» грунта, характерной для других мест падений РН и простирающейся в рассматриваемом случае аварии РН «Днепр» на 50 м. В данной ситуации более вероятно как выживание отдельных особей многолетников в зоне 2 (например, эфемероидов с относительно глубоким залеганием многолетних частей - видов Rheum, Tulipa и др.), так и занос семян многолетников из расположенной ближе зоны 3, где отдельные особи полыни и других полукустарничков выживают даже в случае пожара.

В зоне 3 скорость восстановления растительности заметно выше, и переход к слабой степени модификации может происходить уже в первые годы после аварии. Например, на участке места падения РН «Протон-М» 2013 г. к 2017 г. часть фитоценозов в пределах зоны 3 достигла средней степени модификации. Наконец, в зоне 4 техногенное воздействие при падении РН в большинстве случаев не привело к существенным перестройкам в сообществах, в результате чего степень модификации фитоценозов не превышает среднюю и по большинству критериев соответствует слабой модификации. В данной зоне можно выделить 2 подзоны - внутреннюю, где механическое воздействие усиливает мозаичность растительного покрова за счёт появления микрогруппировок однолетников, и внешнюю, где влияние на флористический состав и соотношение видов в фитоценозах незначительно; соответственно, во внутренней подзоне более вероятно пребывание фитоценозов в более высокой степени модификации по сравнению со внешней.

Сообщества галофитов, характерные для такыровидных пустынных солончаковатых почв, более уязвимы к техногенному воздействию по сравнению с полынниками на бурых полупустынных почвах во всех зонах с высокой интенсивностью техногенного воздействия. Не исключено, что восстановление растительности могло бы быть более успешным при фитомелиорации, в т.ч. с высевом доминанта исходных сообществ Haloxylon aphyllum, широко используемого как фитомелиорант в пустынях Средней Азии (Кузьмина и др., 2006) и обладающего эдификаторными свойствами (Жагловская, Айдосова, 2014). В то же время на глинистых почвах эффективность фитомелиорации с H. aphyllum меньше, чем на песчаных (Meirman et al., 2012). Вероятно, препятствием к успешному самовозобновлению H. aphyllum на месте аварийного падения РН «Днепр» являются относительно низкие всхожесть семян и выживаемость проростков в отсутствие периодического полива (Кузьмина и др., 2006; Meirman et al., 2012; Chlachula, Zhaglovskaya, 2017).

Сравнительно успешное возобновление растительности в зонах 3 и 4 объяснимо не только более низкой интенсивностью воздействия, но и «близким к естественному» характером повреждений, так как структура, свойственная аридным сообществам Земли, сформировалась в т.ч. под влиянием периодического пирогенного воздействия? вследствие чего в них заложены механизмы к сравнительно быстрому самовосстановлению после пожаров (Степные пожары ..., 2015). Вследствие этого в них заложены механизмы к сравнительно быстрому самовосстановлению после пожаров при условии полночленности экосистем. Полынные степи Казахстана выгорают с периодичностью 10-20 лет (Иванов, 1958), но при этом считается, что необходимым фактором для восстановления доминирования полыней является выпас скота (Степные пожары ..., 2015). После механического воздействия, аналогом которого можно рассматривать перевыпас скота или вспашку, сообщества полыни белоземельной, характерные для обоих мест падения РН «Протон-М», могут восстанавливаться за срок от 15 лет (Kerven, 2003) до 25 лет (Димеева и др., 2017).

Предположить сроки окончания демутации растительности на наиболее модифицированном участке места падения - РН «Днепр» 2006 г. - затруднительно ввиду ограниченности необходимых сведений для сообществ саксаула на такыровидных пустынных солончаковых почвах. Для галосерий на обнажённом дне Аральского моря кустарниковая стадия длится с 7 -го по 18-й годы с момента начала зарастания (Димеева, 2007). Однако развитие растительности здесь идёт по иной схеме в условиях постепенного понижения уровня грунтовых вод, определяющего скорость и порядок стадий сукцессии. Кроме того, данная сукцессия является первичной, тогда как характер техногенного воздействия на местах падения РН позволяет рассматривать посттехногенную сукцессию как вторичную. Грядовые посадки H. aphyllum на солончаках обсохшего дна Аральского моря, перешедшие к эффективному семенному возобновлению через 6 лет (Кузьмина, Трешкин, 2013), нельзя считать примером самовосстановления растительности. М. Ebrahimi с соавторами (2019) сообщает о достижении максимальных значений флористической насыщенности и О1И1 в сообществах H. aphyllum возрастом 25 лет, однако здесь также рассматриваются искусственные посадки саксаула. К тому же отличается природная зона (пустынно -степная) и гранулометрический состав почв (пылеватый суглинок). Кроме того, посадка возрастом 25 лет является примером наиболее длительной сукцессии в данной публикации, и нет сведений о дальнейшей динамике сообществ (возможно, рассматриваемая стадия сукцессии является промежуточной). Наконец, известно, что срок восстановления саксауловых сообществ после массовых вырубок может составлять 30-40 лет (Жагловская, Айдосова, 2014). Однако неизвестно, применимы ли эти цифры к рассматриваемому сообществу в условиях наличия вторичного техногенного воздействия со скальпированием верхнего слоя почвы.

Для штатных мест падений первой ступени РН «Протон-М» в случае максимальных степеней модификации фитоценозов расчётный срок самовосстановления экосистем может составлять 15-20 лет (Кречетов и др., 2011; Koroleva et al., 2018; Lednev et al., 2018). Можно предположить, что для аварийных мест падений РН, характеризующихся большей площадью нарушенных участков, данные значения являются нижней границей возможных сроков самовосстановления, и в реальности демутация займет не меньший промежуток времени. Очень сильная степень модификации растительности в зонах 1 и 2 мест падения РН «Днепр» (2006 г.) и «Протон-М» (2007 г.) в 2018 г. не позволяет рассчитывать на завершение демутации в срок 15-20 лет, т.е. к 2021-2027 гг. Для участка места падения РН «Протон-М» 2013 г., рекультивированного в конце 2017 г. с засыпкой и выравниванием территории зон 1 и 2, а также внесением удобрений и семян растений, напротив, можно ожидать ускорение восстановительного процесса.

Выводы

Даже спустя 12 лет после воздействия на местах аварийных падений ракет -носителей отмечаются сообщества, находящиеся в очень сильной и сильной стадиях модификации.

Для разных мест падения характерен одинаковый набор зон техногенного воздействия; динамика восстановления растительных сообществ в них различается между собой.

Вследствие перераспределения тепла и влаги в гидроморфных условиях на месте воронки формируется однолетнесолянковое сообщество, в котором однолетники составляют 75 -100% видового состава и 95-100% ОПП. На окружающей территории наблюдаются демутационные процессы, скорость которых возрастает при удалении от центра места удара.

По сравнению с полынными сообществами, наиболее распространёнными в северных и средних пустынях, саксауловые сообщества на такыровидных пустынных солончаковатых почвах более уязвимы к воздействию, вызванному падением РН, и характеризуются более длительными сроками восстановления растительности.