Биопродукция растений на породных отвалах как показатель перспективности их фиторекультивации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биопродукция растений на породных отвалах как показатель перспективности их фиторекультивации

Н.И. Чайка

Целью исследований являлось определение биопродукции растений породных отвалов угольных шахт, на основе чего можно представить сравнительную характеристику их надземной и подземной массы, выявить закономерности, указывающие на перспективность разработок приемов и технологий фиторекультиваций. По величине коэффициента продуктивности (равного 3,90) растительные сообщества породных отвалов уступают культурным растениям с агрофитоценозов (рожь озимая - 6,50), но преобладают над полевыми многолетними (люцерна полевая - 0,90) и степными целинными сообществами (0,03). Полученные данные показывают, что в экологических условиях породных отвалов угольных шахт корневая система фитоценозов работает с большей продуктивностью по сравнению с другими степными и полевыми видами. Выявлены следующие закономерности образования фитомассы растений: травостой растительных группировок формирует незначительную биологическую продукцию - от 74,0 до 139,0 граммов на один квадратный метр, надземная часть - от 62,1 до 103,8 граммов на один квадратный метр. Для всех травостоев отвалов угольных шахт характерной особенностью является то, что почти половина фитомассы состоит из стеблей растений. Преобладание доли стеблей в фитомассе травостоев породных отвалов указывает на пионерный характер их растительности. В нижних горизонтах растительных сообществ (до 10 см) формируется более половины надземной фитомассы. Выявленные закономерности указывают на необходимость изменения их продуктивности в сторону увеличения биопродукции путем разработок эффективных приемов и технологий фиторекультивации.

Ключевые слова: фиторекультивация, биопродукция растений, породные отвалы шахт, распределения фитомассы, коэффициент продуктивности.

The aim of research was to determine plant biological productivity of rock disposal dump of coal mines to present a comparative description of their aboveground and underground mass, identify patterns indicating promising developments of techniques and technologies of phytorecultivation. In terms of productivity factor (equal to 3.90) plant communities of dumps rank below crop plants with agrophytocenosis (winter rye - 6.50), but prevail over perennial field (alfalfa field - 0.90) and virgin steppe communities (0.03). The data show that under the environmental conditions of waste dumps of coal mines phytocenoses root system operates with greater productivity in comparison with other steppe and field species. The following regularities of plant biomass formation are revealed: grass canopy of plant groups form small biological products - from 74.0 to 139.0 grams per square meter, above-ground part - from 62.1 to 103.8 grams per square meter. The characteristic feature for all grass canopies of rock disposal dumps of coal mines is that almost half of phytomass consists of plant stems. The predominance of herbage stalks in biomass of grass canopy in rock disposal dump indicates the pioneering nature of their vegetation. More than half of the aboveground phytomass is formed on the lower levels of plant communities (up to 10 cm). The revealed regularities point to the necessity of changing their productivity towards increasing biological production by developing effective methods and technologies of phytorecultivation.

Keywords: phytorecultivation, plants biological production, mines rock disposal dumps, phytomass distribution, productivity factor.

Зеленые насаждения на породных отвалах угольных шахт и обогатительных фабрик формируются в результате фиторекультивации и свободного поселения древесно-кустарниковых растений.

Продуктивность фитоценоза является одним из элементов его структурных показателей [1]. В настоящее время закономерности формирования растительного покрова на породных отвалах угольных шахт Донбасса изучены детально [2-7]. А флора породных отвалов как система популяций видов, спонтанно поселившихся на отвалах, является одной из наиболее трансформированных флор антропогенных экотопов, поскольку образовывается заново в неоэкотопах [8]. Авторы исследовали закономерности формирования растительного покрова на породных отвалах в направлении определения проективного покрытия, встречаемости, протекания сукцессий растительности, сравнения флор техногенных территорий [9] без характеристики биопродукции растений по вертикальному горизонту и отдельным фракциям.

Целью исследований являлось определение биопродукции растений породных отвалов угольных шахт, на основе чего можно представить сравнительную характеристику их надземной и подземной массы, выявить закономерности, указывающие на перспективность разработок приемов и технологий фиторекультиваций.

Материалы и методы. Объектами исследований были растительные покровы породных отвалов угольных шахт им. Челюскинцев, № 21 (г. Донецк), «Трудовская» № 5-бис, «Островская», «Россия», № 11 (г. Донецк), шахтоуправление № 5 «Западное», «Щуровка-1», на которых складируется порода среднего карбона, и «Павлоградская», «Южно-Донбасская-1», «Южно-Донбасская-3», где складируется порода нижнего карбона. При изучении биопродукции растительного покрова на породных отвалах использовали общепринятые в геоботанике методики [1], коэффициент продуктивности (отношение общего веса надземной фитомассы к подземной) рассчитывался по Н. З. Станкову [10].

Результаты и обсуждение. Нами обработаны данные о фитомассе травостоев растительных покровов (27 наиболее характерных микрогруппировок) на породных отвалах угольных шахт.

По результатам изучения изменения структуры фитоценозов на стационарных трансектах породных отвалов Пограничный-1 и Пограничный-2 г. Донецка и сопоставления данных 1997 и 2007 гг. С. П. Жуков получает возможность сделать заключение о ходе сукцессии растительности. От сообществ с доминированием Achillea collina j. Beck. ex Reichenb., Gypsophila scorsonerifolia Ser., Centaurea diffusa Lam. и других стержнекорневых двулетников развитие происходит в направлении сообщества с преобладанием Melica transsylvanica Schur, формирующего регулярное распределение, с высокой долей Gypsophila scorsonerifolia, Linaria vulgaris L. и Hieracium echioides Lumn., особенно на эродированных участках, и далее к древесно-кустарниковым сообществам [11]. Такой подход к изучению территорий с нарушением растительного покрова, выполняющего мелиоративную функцию, основывается на системном методологическом принципе, когда растительность, с одной стороны, рассматривается как компонент сложной системы (экосистемы), с другой стороны, сама является сложной фитоценотической системой.

В. Г. Башкатов предлагает применять для фитоценозов вместо системного агрегативный подход, продиктованный практикой создания растительного покрова на землях, нарушенных породными отвалами [12], когда растительный покров на них формируется путем создания оптимальных условий экотопа. С позиций агрегативного подхода фитоценоз рассматривается не как система взаимосвязанных между собой растений, а как ассоциат (агрегат) растений, связанных с экотопом, т. е. с абиотическим компонентом экосистемы. Взаимодействия между растениями при этом не игнорируются, они оцениваются как результат фитоценотического изменения абиотических факторов среды. Агрегативный подход придает первостепенное значение взаимодействию растения и экотопа, тогда как системный подход основную задачу видит в изучении связей между растениями. По мнению автора, в таком случае для создания мелиоративного растительного сообщества достаточно знать экофизиологическую характеристику отдельных видов растений, отражающую их потребности в экологических факторах, и экотопную характеристику среды, показывающую, в какой мере конкретный экотоп в состоянии удовлетворить эти потребности.

Межорганизменные взаимодействия рассматриваются с позиций определения особенностей отдельных видов растений изменять факторы среды, жизненно необходимые для оптимального функционирования организмов в их сообществе. При наличии полных знаний о жизненно важных факторах существования и их динамике в процессе развития отдельных видов растений, а также характере изменения ими абиотических факторов среды открывается вполне реальная возможность создания устойчивых растительных сообществ, сформированных из видов, наиболее хорошо соответствующих конкретным условиям экотопа. Трудно не согласиться с автором, особенно когда речь идет о практических вопросах. Однако, поставив задачу биологически обосновать необходимость фиторекультивации породных отвалов, мы столкнулись с комплексом вопросов, связанных не только с отношениями между растениями и взаимодействием растения и эдатопа, но и влиянием техногенного характера земель на окружающую территорию. Для решения задачи искусственного регулирования этих отношений необходим комплексный подход и учет зависимости техногенного ландшафта от окружающих его ландшафтов. Поэтому в своих исследованиях мы использовали оба подхода, для которых показатель биопродукции фитоценоза является объединяющим элементом характеристики (таблица 1).

Сопоставив данные о фитомассе на породных отвалах из таблицы 1, можно отметить, что ее количество и состав зависят от доминирующих в сообществах видов. Так, в сообществах с преобладанием амброзии полыннолистной (Ambrosia artemisiifolia) на породном отвале шахты «Южно-Донбасская-1» формируется 122 г/м2 фитомассы, при этом 19,2 % приходится на подземную массу, а при ее доминировании на породном отвале шахты «Россия» в травостое формируется 113 г/м2 фитомассы. В этом случае вся растительная группировка состоит из стержнекорневых, 24,1 % ее фитомассы приходится на подземную часть. Чем больше в сообществах стержнекорневых, корневищных и корнеотпрысковых видов, тем выше процент подземной массы. В растительных группировках льнянки дроколистной (Linaria genistifolia) на породном отвале шахты «Островской» подземная масса формирует 26,9 % фитомассы; в сообществах горца птичьего (Polygonum aviculare) на породном отвале шахты № 11 (г. Донецк) - до 26,8 %; в сообществах с доминантной ролью многолетних злаковых видов - от 10,8 % фитомассы формирует своей подземной частью кострец береговой (Bromopsis riparia) на отвале шахты шахтоуправление № 5 «Западное» до 15,3 % - мятлик узколистный (Poa angustifolia) на отвале шахты № 11 (г. Донецк).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 1 - Показатели фитомассы микрогруппировок на породных отвалах угольных шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отношение общего веса надземной фитомассы к подземной (коэффициент продуктивности) равняется 3,9 : 1,0. По величине коэффициента продуктивности растительные сообщества уступают культурным растениям с агрофитоценозов согласно Н. З. Станкову [10] (рожь озимая - 6,50, кукуруза - 13,70), но преобладают над полевыми многолетними (люцерна полевая - 0,90) и степными целинными сообществами (0,03), у которых подземная масса во много раз превышает надземную. Эти данные показывают, что в экологических условиях породных отвалов угольных шахт корневая система фитоценозов работает с большей продуктивностью по сравнению с другими степными полевыми видами. биопродукция фиторекультивация породный растение

При анализе данных таблицы 1 прослеживается общая тенденция к сукцессионной последовательности растительности отвалов угольных шахт: от однолетне-двулетних с преобладанием однолетних видов в растительных группировках до двулетне-многолетне-однолетних с доминированием двулетних видов и до травянисто-древесно-кустарниковых с преобладанием многолетних травянистых видов в сообществах. Данная сукцессионная последовательность растительности породных отвалов угольных шахт подтверждает наблюдения С. П. Жукова [11]. При изучении надземной фитомассы травостоев уделялось внимание заполнению пространства органами растений, что позволило установить фракционный состав фитомассы в отдельных горизонтах (таблица 2).

Таблица 2 - Распределение фитомассы травостоев породных отвалов шахт по вертикальным горизонтам

В г/м2

Согласно таблице 2, в нижних горизонтах растительных группировок, начиная от поверхности породы до 10 см в высоту, наблюдается значительное преобладание массы листьев растений над массой стеблей, но в верхних горизонтах травостоя прослеживается доминирование массы стеблей и соцветий над массой листьев. Эта закономерность характерна для всех растительных покровов обследованных отвалов угольных шахт. На породном отвале шахты им. Челюскинцев в растительных покровах до 33,6 % всей надземной фитомассы сосредоточено в горизонте 0-5 см, что в весовом количестве на 1 м2 равняется 28,6 г, из них 16,3 г приходится на листья. На отвале шахты «Россия» в горизонте 0-10 см растительных группировок находится 65,3 % всей надземной фитомассы, что соответствует 47,8 г/м2, при этом на листья приходится 25,0 г/м2.

В растительных сообществах отвала шахты № 11 (г. Донецк) в горизонте 0-5 см находится 50,9 % всей надземной фитомассы с учетом опада листьев древесно-кустарниковых, что соответствует 42,1 г/м2 фитомассы, из которой доля листьев - 28,8 г/м2, тогда как в горизонте 40-50 см сосредоточено только 3,7 % фитомассы, что составляет 3,1 г/м2 травянистой массы, из которой 1,9 г/м2 приходится на стебли, а на листья и соцветия - по 0,6 г/м2. Такая структура травостоя растительного покрова породных отвалов угольных шахт указывает на размещение основной массы ассимиляционных органов растений в нижних горизонтах, в которых главным образом происходит процесс синтеза органического вещества. Остальные горизонты травостоев (от 10 до 50 см) формируют от 51,9 % (на отвале шахты им. Челюскинцев) до 42,6 % (на отвале шахты № 21, г. Донецк) и до 38,0 % (на отвале шахты «Трудовская» № 5-бис) фитомассы. Для всех травостоев отвалов угольных шахт характерной закономерностью является то, что почти половина фитомассы состоит из стеблей растений. Так, на породном отвале шахты «Павлоградская» из 103,8 г/м2 фитомассы 50,8 г/м2 составляют стебли, на отвале шахты «Островская» из 62,1 г/м2 фитомассы на стебли приходится 30,8 г/м2. Доминирование доли массы стеблей в фитомассе травостоев породных отвалов указывает на пионерный характер их растительности с преобладанием семенного размножения.

Выводы. Полученные данные исследований дают возможность выявить следующие закономерности формирования фитомассы растений на породных отвалах угольных шахт:

- травостой растительных группировок дает незначительную биологическую продукцию (от 74 до 139 г/м2);

- надземная часть фитомассы формируется в пределах от 62,1 до 103,8 г/м2;

- весовое соотношение надземной и подземной фитомассы свидетельствует о значительном преобладании надземных органов над подземными;

- весовое количество во фракции «стебли» преобладает над фракциями «листья» и «соцветия»;

- в нижних горизонтах растительных сообществ (до 10 см) формируется более половины надземной фитомассы;

- в экологических условиях породных отвалов угольных шахт корневая система фитоценозов работает с большей продуктивностью по сравнению с другими степными полевыми видами.

Эти закономерности указывают на необходимость изменения их продуктивности в сторону увеличения фитомассы, соотношения надземной и подземной продукции и фракционного отношения органов растений по горизонту путем разработок эффективных приемов и технологий фиторекультивации.

Список использованных источников

1 Воронов, А. Г. Геоботаника / А. Г. Воронов. - М.: Высш. шк., 1973. - 384 с.

2 Тохтарь, В. К. Биологическое разнообразие техногенных экотопов / В. К. Тохтарь // Восстановление антропогенных экотопов: материалы І Междунар. науч. конф., г. Донецк, 24-27 сентября 2002 р. - Донецк, 2002. - С. 408-409.

3 Рева, М. Л. Растительность техногенных земель в Донбассе / М. Л. Рева, А. И. Хархота, П. П. Дмытренко // Растения и промышленная среда. - Свердловск: Изд-во Уральского гос. ун-та, 1978. - С. 33-43.

4 Хархота, А. И. Флора техногенных экотопов / А. И. Хархота // Проблемы изучения синантропной флоры СССР: материалы совещ., 1-3 февраля 1989 г. - М.: Наука, 1989. - С. 19-21.

5 Чибрик, Т. С. Формирование фитоценозов на нарушенных промышленностью землях / Т. С. Чибрик, Ю. А. Елькин. - Свердловск: Изд-во Уральского гос. ун-та, 1991. - 220 с.

6 Жуков, С. П. Каскадный эффект первичной сукцессии на отвалах угольных шахт Донбасса / С. П. Жуков // Укр. ботан. журн. - 1999. - Т. 56. - № 1. - С. 5-10.

7 Жуков, С. П. О направлении антропогенной сукцессии растительности на отвалах угольных шахт Донбасса / С. П. Жуков // Укр. ботан. журн. - 1999. - Т. 56. - № 3. - С. 249-254.

8 Жуков, С. П. К вопросу об адаптации флор к антропогенному влиянию / С. П. Жуков, С. А. Приходько, О. М. Шевчук // Промышленная ботаника. - 2004. - Вып. 4. - С. 39-45.

9 Тохтарь, В. К. Временная динамика флор техногенных территорий юго-востока Украины / В. К. Тохтарь, А. И. Хархота // Промышленная ботаника. - 2004. - Вып. 4. - С. 86-99.

10 Станков, Н. З. Корневая система полевых культур / Н. З. Станков. - М.: Колос, 1964. - 280 с.

11 Жуков, С. П. Изменение структуры фитоценозов шахтного отвала за 10 лет / С. П. Жуков // Восстановление нарушенных природных экосистем: материалы третьей междунар. науч. конф., г. Донецк, 7-9 октября 2008 р. - Донецк, 2008. - С. 202-205.

12 Башкатов, В. Г. Агрегативный методологический подход к решению проблем фитомелиорации / В. Г. Башкатов // Восстановление нарушенных природных экосистем: материалы междунар. науч. конф., г. Донецк, 6-8 сентября 2005 г. - Донецк: Лебедь, 2005. - С. 118-119.

Размещено на Allbest.ru