Создание и изучение культурфитоценозов на нарушенных промышленностью землях

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

СОЗДАНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ
КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ
НА НАРУШЕННЫХ
ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ
ЗЕМЛЯХ

Учебное пособие

Рекомендовано
методическим советом Уральского федерального университета
в качестве учебного пособия для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки 06.03.01, 06.04.01 «Биология»,
05.03.06, 05.04.06 «Экология и природопользование»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК  502.13(075.8)
ББК  20.18я73-1
         C585

В учебном пособии рассматривается важная экологическая проблема современности –
создание и изучение культурфитоценозов на нарушенных промышленностью землях. Даются практические рекомендации для создания и сохранения длительной продуктивности посевов многолетних трав, а также посадок. Рекомендации имеют большое значение
для разработки основ биологической рекультивации нарушенных территорий.
Для студентов, магистрантов и аспирантов биологической и экологической специальностей, а также широкого круга биологов, экологов и специалистов по биологической
рекультивации.

Создание и изучение культурфитоценозов на нарушенных промышленностью землях : учеб. пособие / [Т. С. Чибрик, М. А. Глазырина, Е. И. Филимонова, Н. В. Лукина] ; [науч. ред. Т. А. Радченко] ; М-во науки и высш.
образования Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во
Урал. ун-та, 2019. – 146 с.
ISBN 978-5-7996-2548-1

C585

ISBN 978-5-7996-2548-1

УДК  502.13(075.8)
ББК  20.18я73-1

© Уральский федеральный университет, 2019

А в т о р ы:
Т. С. Чибрик, М. А. Глазырина, Е. И. Филимонова, Н. В. Лукина

Н а у ч н ы й   р е д а к т о р
Т. А. Радченко

Р е ц е н з е н т ы:
лаборатория экологии техногенных растительных сообществ
Ботанического сада УрО РАН
(заведующий лабораторией доктор сельскохозяйственных наук С. Л. Менщиков);
Ю. Е. Михайлов, доктор биологических наук,
заведующий кафедрой экологии, природопользования и защиты леса
Уральского государственного лесотехнического университета

На обложке:
культурфитоценоз на золоотвале Верхнетагильской ГРЭС

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ........................................................................................................ 4

Введение ............................................................................................................. 6

Глава 1. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И ЗАДАЧИ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЛОГИИ ..... 8

Глава 2. ВЗГЛЯДЫ УЧЕНЫХ НА КУЛЬТУРНЫЕ СООБЩЕСТВА ........................ 13

Глава 3. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ
НА ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТАХ ........................................................................ 18

Глава 4. ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ
ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗЕМЕЛЬ,
НАРУШЕННЫХ ДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ УРАЛА ..................... 32

Глава 5. ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ
ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗЕМЕЛЬ,
НАРУШЕННЫХ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ УРАЛА ........ 115

Список библиографических ссылок .................................................................... 137

Список рекомендуемой литературы ...................................................................... 143

Приложение. Структура самостоятельной работы ................................................. 144

ПРЕДИСЛОВИЕ

Урал – старый промышленный регион, где добыча и переработка полезных
ископаемых ведется более 100 лет. Нарушенных площадей только в Свердловской области свыше 65 тыс. га. Они резко отличаются по характеру рельефа,
морфологическим параметрам, таким как площадь, высота, глубина и т. д. Чрезвычайно разнообразны состав и свойства пород (субстратов), слагающих эти
территории. Зачастую формирование фитоценозов идет на породах разного геологического возраста, извлеченных с больших глубин (до 500 м), т. е. они характеризуются большим разнообразием и пространственной гетерогенностью экотопов, особенно эдафотопов.
В Уральском государственном университете им. А. М. Горького более 55 лет
проводились исследования по биологической рекультивации нарушенных промышленностью земель. Актуальность проблемы не снижается и сегодня. В настоящее время эти исследования продолжаются сотрудниками лаборатории
антропогенной динамики экосистем в составе отдела биологических исследований Научно-исследовательского института физики и прикладной математики
Института естественных наук и математики УрФУ.
Техническая подготовка поверхности техногенных объектов (технический
этап рекультивации) делает биологическую рекультивацию возможной, но не ликвидирует все неблагоприятные эдафические условия этих своеобразных экотопов. Преодоление или сведение к минимуму таких условий может вестись в двух
направлениях: за счет улучшения свойств субстрата (водно-физических, агрохимических и др.) и подбора подходящего для этих условий ассортимента видов.
Мероприятия биологического этапа рекультивации на Урале, как правило, сводятся к посеву многолетних трав и посадке деревьев и кустарников. При этом
важен экспериментальный подбор ассортимента видов, устойчивых к комплексу неблагоприятных эдафических условий, обладающих высокой экологической
пластичностью и адаптационными способностями. Поэтому в комплексных
исследованиях традиционно уделяется большое внимание характеристике флористического состава формирующихся в техногенных ландшафтах фитоценозов
и слагающих их видов.
При исследованиях была реализована комплексная программа по всестороннему изучению искусственных фитоценозов техногенных ландшафтов, которая
включала изучение динамики и структуры культурфитоценозов, их продуктивности, структуры и жизненности ценопопуляций культивируемых видов. Подробно
изучался флористический состав, биоэкологическая характеристика видов, химический состав растений, микотрофность видов. В настоящем учебном пособии

впервые представлен и проанализирован опыт биологической рекультивации
нарушенных промышленностью земель Урала на фитоценотическом и ценопопуляционном уровнях с учетом временной трансформации созданных культурфитоценозов и качества фитомассы.
Учебное пособие посвящено важной экологической проблеме современности – созданию и изучению культурфитоценозов на нарушенных промышленностью землях. В нем даются практические рекомендации для создания и сохранения длительной продуктивности посевов многолетних трав, а также посадок.
Данные рекомендации имеют большое значение для разработки основ биологической рекультивации нарушенных территорий.
Учебное пособие поможет в освоении дисциплины «Культурфитоценология с основами биологической рекультивации» по программам бакалавриата
и магистратуры.

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация темпов разработки полезных ископаемых, деятельности
перерабатывающей промышленности, промышленного и гражданского строительства и т. д. сопровождается усилением эксплуатации природных ресурсов,
что ведет к увеличению отрицательного влияния промышленности на природные ландшафты, нарушению ценных сельскохозяйственных и лесных угодий.
Особенно большие нарушения происходят при открытых разработках полезных
ископаемых – угля, руд черных и цветных металлов и др. В настоящее время
распространенность техногенных ландшафтов позволяет говорить о замене ими
в ряде регионов природных систем. Процессы естественного восстановления нарушенных территорий замедлены. Участие органического вещества в общей массе
техногенных образований (неоэкотопов) ничтожно. Присущие им растительные
сообщества весьма изменчивы и часто случайны по составу видов, примитивны
по структуре и малоустойчивы, поэтому человек вынужден принимать меры
по ускорению их регенерации или целенаправленному формированию продуктивных искусственных растительных сообществ (культурфитоценозов). Искусственные фитоценозы создаются человеком по заранее намеченному плану, являются
продуктом его труда и могут существовать только при условии заботы о них.
Культурфитоценозы на нарушенных промышленностью землях создаются
в процессе биологической рекультивации. В зависимости от условий выбирается
направление рекультивации: сельскохозяйственное, лесохозяйственное, природоохранное, санитарно-гигиеническое и др.
Биологическую рекультивацию сельскохозяйственного направления проводят преимущественно на отвалах, поверхность которых сформирована потенциально плодородными породами или покрыта почвой. В этом случае при соответствующей агротехнике создают типичные агробиоценозы, а рекультивированные
земли переводятся в общий баланс сельхозугодий. Состояние их и продуктивность
полностью зависят от регуляторной деятельности человека. Частным случаем
сельскохозяйственной рекультивации является создание коллективных садов и огородов на малопригодных породах при наличии достаточного количества органических и минеральных удобрений. Разновидностью сельскохозяйственной рекультивации можно считать создание сенокосно-пастбищных угодий длительного пользования.
Нарушенные промышленностью земли, не пригодные для сельскохозяйственного производства, например, в связи с повышенным содержанием в них тяжелых
металлов и т. д., должны восстанавливаться в лесохозяйственном направлении.
Целью лесохозяйственного направления биологической рекультивации является
создание на отвалах высокопродуктивных устойчивых лесных биогеоценозов,

обладающих положительным средопреобразующим воздействием и имеющих
мелиоративное, санитарно-гигиеническое и рекреационное назначение [1]. Виды
и методы лесной рекультивации определяются зональными и локальными экологическими условиями района промышленных разработок [2; 3, с. 78].
При проведении рекультивации нарушенных территорий на Урале, где сосредоточены значительные площади старых отвалов и карьеров, остро стоит проблема дефицита плодородного слоя почвы и потенциально плодородного грунта.
Для того чтобы в короткое время ограничить загрязняющее воздействие вынесенных на поверхность горных пород, а при более благоприятных эдафических
условиях – восстановить хозяйственную ценность нарушенных территорий,
для каждого предприятия производят индивидуальный подбор видов растениймелиорантов. Для этой цели используются растения, устойчивые к условиям необычной для них среды и способные образовывать высокопродуктивные сообщества, которые, являясь одним из существенных структурных компонентов ландшафта, выполняли бы одновременно почвозащитную, культурно-эстетическую
и санитарно-гигиеническую функции.
На Урале работы по рекультивации нарушенных промышленностью земель
были начаты в 1959–1961 гг., они проводились под руководством В. В. Тарчевского в лаборатории промышленной ботаники Уральского государственного
университета (ныне – лаборатория антропогенной динамики экосистем УрФУ).
На всех типах изученных отвалов на базе стационарных опытных посевов и посадок сотрудниками лаборатории были получены положительные результаты
по их биологической рекультивации, разработаны необходимые рекомендации.
Рекомендации лаборатории применялись при биологической рекультивации около 2 тыс. га нарушенных промышленностью земель. Научные труды сотрудников лаборатории использовались при составлении ряда нормативных документов.
Рекомендации лаборатории были неоднократно представлены на ВДНХ СССР.
Научные издания сотрудников, в том числе 14 тематических сборинков статей,
монографии и т. д., хорошо известны широкому кругу специалистов в России
и за рубежом. Коллектив лаборатории на протяжении многих лет принимает участие в подготовке высококвалифицированных специалистов, успешно работающих в области охраны природы и рекультивации.
Созданная в первые годы работы лаборатории методика фитомелиорации
отвалов перерабатывающей промышленности (с модификациями) была принята
и для биологической рекультивации породных отвалов горнодобывающей промышленности.
Созданию и изучению дендроценозов на золоотвалах Урала посвещены работы сотрудников лаборатории экологии техногенных растительных сообществ Ботанического сада УрО РАН (ранее – Институт леса УрО РАН). Сотрудниками
лаборатории экспериментально опробован большой ассортимет деревьев и кустарников (35 видов), дана характеристика и оценка пригодности данных видов
древесных пород для лесовосстановления на золоотвалах лесной зоны.

Глава  1
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
И ЗАДАЧИ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЛОГИИ

Культурфитоценология – учение о целенаправленно регулируемых естественных и искусственно создаваемых сообществах различных типов растительности (лесных, луговых, полевых, водных и др.). Культурфитоценология, как
отрасль фитоценологии, занимается изучением культурфитоценозов (КФ).
Культурфитоценоз (от лат. cultura – «возделывание, воспитание» и от греч.
ó – «растение» и  ó– «общий») – сообщество культивируемых растений, обладающее многими особенностями естественного фитоценоза, но формируемое в результате деятельности человека.
Термин «культурфитоценоз» предложил советский лесовед Ю. П. Бяллович. Под КФ он понимал «определенную культуру, рассматриваемую как совокупность растений, характеризующуюся определенными взаимоотношениями между растениями и между растениями и средой, возникающими в результате наложений реакций ландшафта и борьбы за существование на комплекс
целенаправленных растениеводческих мероприятий» [4, с. 21].
Предпосылки к оформлению культурфитоценологии складывались в полеводстве, лесоводстве, парковом строительстве, луговодстве. Еще в начале XX в.
русским почвоведом, лесоведом, геоботаником и географом Г. Н. Высоцким
в труде «Ергеня» [5] были высказаны культурфитоценологические идеи. Г. Н. Высоцкий указывал на необходимость подбора компонентов в искусственно создаваемых насаждениях (в садах, парках) из соответствующих по экологии и биологии
видов растений и дал описание наблюдаемых смен растительности на залежах.
Известный русский и польский ботаник И. К. Пачоский [6] рекомендовал
для более полного использования производительных сил земли вводить в сады
и парки элементы природных ландшафтов, а при выращивании полевых культур использовать хотя бы по две расы культивируемого вида растения, различающиеся между собой по каким-либо признакам, например, по высоте стебля и т. п.
КФ могут быть: 1) возделываемые (поля, плантации, лесные питомники
и др.); 2) создаваемые человеком (полезащитные полосы, лесосеменные плантации и др.); 3) преобразованные и управляемые человеком (лесосады, лесонасаждения с постоянным применением рубок ухода и пр.).
Продолжительность существования КФ определяется жизненной формой видов культивируемых растений и характером воздействия человека. По продолжительности существования различают КФ [7, с. 199]:
1) кратковременные (1–3 года: поля, огороды, клумбы и т. д.);

2) длительные (8–10 лет: сеяные луга);
3) постоянные (существующие десятки и сотни лет: плодовые сады, городские парки, полезащитные лесные полосы, лесные массивы). Постоянные КФ
по ряду признаков стоят ближе к фитоценозам естественным.
К задачам изучения КФ относятся:
– выявление закономерностей распределения КФ и их типов;
– определение флористического состава, строения и динамики целенаправленно регулируемых естественных и искусственно создаваемых сообществ различных типов растительности (лесных, луговых, полевых, водных и др.);
– исследование взаимосвязей между произрастающими в КФ видами растений и между ними и средой;
– установление взаимосвязей между КФ и между ними и средой;
– классификация искусственных фитоценозов;
– разработка научной теории создания наиболее эффективных культивируемых сообществ в целях наиболее рационального использования территорий
для получения наибольшей продукции или иного полезного эффекта.
От культивируемой растительности человек получает основное продовольствие, сырье для легкой и строительной промышленности и т. п. Кроме того, КФ
в жизни человека имеют большое эстетическое и оздоровительное значение [8].
Научное обоснование для создания наиболее рациональных структур КФ
позволит эффективно использовать каждый участок земли для получения наибольшей продукции или иного полезного эффекта.
К КФ относятся также агрофитоценозы, агростепи, агропустыни, сообщества садов и виноградников, садово-парковые комплексы и т. д.
Агрофитоценоз (от греч. agros – «поле» и фитоценоз) – это однородный
участок сельскохозяйственного землепользования, занятый сменяющими друг
друга по годам культурными растениями, вид, сорт и очередность выращивания которых определяется типом севооборота. В рамках единого севооборота
разные сельскохозяйственные культуры, воздействуя на почву, обогащая ее специфическими органическими веществами, создают определенный тип экологической среды, свойственный данному севообороту, и определенный набор сорных растений-спутников (сегетальные сорные виды, связанные с почвой банками семян и банками вегетативных зачатков) [7, с. 7]. Высеваемые человеком
культурные растения являются доминантами, т. е. эдификаторами создаваемого
агрофитоценоза (АФ), остальные его компоненты входят в состав АФ независимо от желания человека и часто вопреки этому желанию [9].
Агрофитоценология является основным разделом культурфитоценологии.
Агрофитоценология (от греч. agros – «поле», koinos – «общий» и logos – «учение») – учение о полевых группировках растений, составляющих в совокупности
полевую культивируемую растительность. Основные эмпирические положения данной науки формировались с начала эпохи земледелия, но как теоретическая база агрономии агрофитоценология сложилась в XX в. [8].