Диссертация (Субстратно-фитоценотические характеристики участков самозарастания и рекультивации карьерно-отвальных комплексов)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиДмитраковаЯнина АлександровнаСУБСТРАТНО-ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИУЧАСТКОВ САМОЗАРАСТАНИЯ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ КАРЬЕРНООТВАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВСпециальность03.02.08 экологияДиссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наукНаучный руководитель – доктор биологических наук, профессорАбакумов Евгений ВасильевичСанкт-Петербург2018ОглавлениеВведение………………………………………………………………………………………….3Глава1.Экологическиепоследствиягорнодобывающейдеятельности(обзорлитературы)………………………………………………………………………………………7Глава 2. Природные условия районов и характеристики объектов исследования………....512.1. Природные условия Ленинградской и Новгородской областей………………..512.2. Природные условия Тульской области…………………………………………...552.

3. Объекты исследования…………………………………………………………....57Глава 3. Методы сбора и обработки материала………………………………………………663.1. Методика сбора материала………………………………………………………...663.2. Методика обработки материала…………………………………………………...69Глава 4. Общая характеристика видового состава растительности на карьерах сразличными грунтами……………………………………………………………………….....73Глава 5. Оценка разнообразия растений на карьерах с различными субстратами…………91Глава 6. Почвообразование на карьерах с различными субстратами……………………….986.1. Почвообразование на карбонатных породах……………………………………..996.2.

Почвообразование на песчаных субстратах…………………………………….1156.3. Почвообразование на сульфатно-кислых грунтах………………………………1216.4. Почвообразование на отвалах Кингисеппского месторождения фосфоритов..1256.5. Гидрофизические характеристики карьерно-отвальных комплексов ..……….1316.6. Агрохимические характеристики формирующихся почв и субстратов карьерноотвальных комплексов………………………………………………………………………..136Глава 7. Содержание микробной биомассы и активность микробных сообществ в условияхпосттехногенных экосистем………………………………………………………………….1447.1. Количественный анализ микробного компонента……………………………….1447.2.

Качественный анализ микробного компонента…………………………………..149Глава 8. Оценка эмиссии углекислого газа и стабилизации органического вещества впочвах посттехногенных экосистем………………………………………………………....153Глава 9. Применение метода вертикального электрического зондирования для изучениявертикальной неоднородности почв…………………………………………………...…….157Выводы………………………………………………………………………………………...163Список литературы……………………………………………………………………………1662ВВЕДЕНИЕНарушение почвенно-растительного покрова является серьезной проблемойсовременности. С каждым годом увеличиваются площади нарушенных земель, так поданным государственного учета, на 1 января 2014 г.

на долю техногенных мест обитания вСеверо-Западном федеральном округе приходится 121 тыс. га, в Центральномфедеральном округе – 171,9 тыс. га, в целом на территории Российской Федерациинарушено более 1200 тыс. га. Согласно приблизительным оценкам, основной причинойобразования техногенных территорий является добыча полезных ископаемых – почти 900тыс. га (Нешатаев и др., 2012). Наиболее опасным является открытый способ разработки,но при этом, экономически, самый дешевый и поэтому самый распространенный способдобычи.

Добыча полезных ископаемых имеет ряд негативных последствий: изменениерельефа территории, гидрологического режима, также они влияют на круговорот веществ(Стифеев, Муха, 1996). На дневной поверхности могут оказываться токсичные грунты,загрязняющие окружающие экосистемы (Стифеев, Муха, 1996).

Считается, что крупныетехногенные ландшафты приводят к изменению климата на локальном уровне, т.е.способны менять местный климат (Михайлова, 1996). Карьеры строительных материаловмогут являться дополнительным источником большого количества выбросов углекислогогаза в атмосферу. Неоднозначен вопрос о влиянии горнодобывающей деятельности набиоразнообразие, так как одной из причин глобального вымирания является уничтожениемест обитаний.Учитывая постоянно увеличивающиеся темпы нарушения территорий и широкийспектрнегативныхпоследствийдобычи,становитсяочевиднойнеобходимостьрекультивации земель.

Согласно Федеральному закону от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ «Обохране окружающей среды», все нарушенные земли подлежат рекультивации. Стоитотметить, что доля рекультивированных земель остается крайне низка, рекультивациячасто бывает нерентабельна и неэффективна, темпы восстановления ниже, чем скоростьнарушения. Можно ли считать рекультивированные земли полностью восстановленнымиостается спорным вопросом, поскольку, по мнению некоторых авторов (Гаджиев и др.,2001), они не могут выполнять все свои функции без поддержания со стороны человека.При этом некоторые территории можно оставить под самозарастание. Все перечисленноеобосновывает необходимость изучения процессов и механизмов первичной сукцессии.3Исследование механизмов восстановления растительных сообществ, так же, как ипроцессов педогенеза необходимо для научного обоснования проведения рекультивации.Кроме прикладного значения, данные исследования интересны с точки зренияфундаментальной науки, поскольку карьеры строительных материалов являются удобнымобъектом для изучения первичного почвообразования и освоения растительностьюсвободныхтерриторий.Карьерно-отвальныекомплексыпредставляютмоделиинициального педогенеза на различных стадиях становления экосистем.Восстановление экосистем на карьерно-отвальных комплексах изучало большоеколичество авторов (Баева и др., 1992; Капелькина, 1993; Махонина, 2003; Сумина, 2011,2013; Řehounková and Prach, 2008; Borgegеrd, 1990; Ursic et al., 1997; Cullen et al., 1998;Копцева, 2005; Абакумов и Гагарина, 2006; Нешатаев и др., 2013).

В существующихработах, чаще всего, сукцессия растительного покрова и процессы педогенезарассматриваются отдельно друг от друга. Комплексные исследования восстановленияпочвенно-растительного покрова и связанного с ними микробиома по-прежнемуактуальны.Цель работы – выявить связь темпов природного и рекультивационноговосстановления фитоценозов со свойствами субстрата, а также влияние формирующегосярастительного сообщества на характеристики молодых почв. Для достижения целирешались следующие задачи:1. Охарактеризовать направленность почвообразовательных процессовна различных субстратах карьерно-отвальных комплексов;2. Провести анализ видового состава растительных сообществ накарьерах с разными грунтами;3. Оценить микробиологическую активность почв и биоразнообразие наразных участках карьеров строительных материалов;4. Выяснить особенности изменения физико-химических и физическихсвойств грунтов.Сбор материала проводили в 2014-2017 гг.

на территории 9 карьеров с различнымисубстратами в Ленинградской, Новгородской и Тульской областях. Работа выполнена подруководством проф., д. б. н. Е. В. Абакумова.Научнаяновизна.Впервыепроведенкомплексныйанализпочвенного,растительного и почвенного микробиологического компонентов карьерно-отвальныхкомплексов с различными субстратами. Оценены риски дополнительной эмиссии СО 2 в4атмосферу и возможность секвестрации углекислого газа почвами карьеров. Оценен методвертикальногоэлектрическогозондированиядляизучениянеоднородностипостехногенных субстратов.Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты полезныпри планировании современных подходов рекультивации земель, учитывая комплексфакторов.

С их помощью возможна оценка экологических последствий при принятииплана на этапе разработки полезных ископаемых, и выборе горнотехнического ибиологического этапов рекультивации, а также возможности оставления участка подсамозарастание.

Предложенную интерпретацию результатов метода вертикальногоэлектрического зондирования можно использовать для изучения нарушенных территорий.Положения, выносимые на защиту:1. Эффективность восстановления экосистем в посттехногенных и техногенныхместообитанияхкарьерно-отвальныхкомплексовзависитотформированияблагоприятных свойств субстрата, определяющего возможность инициации сукцессии.Трендыразвитияэкогенезаопределяютсясочетаниямисубстратныхигеоморфологических условий в пределах карьерно-отвальных комплексов.2. Для почв карьерно-отвальных комплексов характерен низкий уровеньинтенсивности микробиологических процессов по сравнению с естественными почвами.3.

Для перехода микробоценоза в климаксную стадию, замыкания углеродногоцикла и увеличения стабильности экосистем, необходимо восстанавливать определенныегруппы микроорганизмов, а именно – олиготрофов.4. Формирование большого количества посттехногенных форм мезорельефаблагоприятствуетдиверсификациибиоразнообразияиразнообразияпочвисоответствующих эдафических условий.5. В условиях карьерно-отвальных комплексов для выявления неоднородностисложенияпочвенногоэлектрическогопосттехногенныхпрофилязондирования.территорийявляетсяОднако,частоэффективнымиз-засложногонаблюдаютсяметодвертикальноговнутреннегоаномальновысокиерельефазначениякажущегося электрического сопротивления.Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты иположения работы были представлены на семинарах кафедры прикладной экологииСПбГУ; на международной научно-технической конференции преподавателей, студентов,аспирантов и докторантов «Современные проблемы и перспективы рациональноголесопользования в условиях рынка» (СПб 2014); на X молодежной экологической школеконференции «Рациональное использование природных ресурсов и проблемы сохранения5биоразнообразия» (СПб 2015); на международной научной конференции «Природнотехногенные комплексы: современное состояние и перспективы восстановления сборникматериалов международной» (Новосибирск, 2016); на VII съезде Общества почвоведовим.

В.В. Докучаева (Белгород, 2016); на II Научно-практическом семинаре длястипендиатов Фонда имени В.И. Вернадского «Актуальные научные исследования в сфереуправления природопользованием и экологической безопасности»; на 6 молодежномэкологическом конгрессе «Северная пальмира» (СПб, 2017); на Всероссийской научнойконференции«Агроэкосистемывестественныхирегулируемыхусловиях:оттеоретической модели к практике прецизионного управления» (СПб, 2017); на 1-омРоссийском Микробиологическом Конгрессе (Пущино, 2017); на 9-й международнойконференции «Biodiversity research» (Daugavpils, Латвия, 2017); на международныхэкологических конференциях «University Alliance for Sustainability» (Berlin, Германия,2016, 2017); на международном конгрессе SUITMA 9 (Москва, 2017);международной конференции ИЮПАК по зеленой химии (Москва, 2017).6на 7-ойГЛАВА 1.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙДЕЯТЕЛЬНОСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)Негативные последствия разработки полезных ископаемыхМасштабы человеческой деятельности настолько глобальны, что в настоящеевремя более 40% земной поверхности относится к категории нарушенных земель (Daily1995), соответственно естественная продуктивность и стабильность данных территорийзначительно сокращена или полностью уничтожена (Vitousek et al. 1986). Конечно, не всенарушенные земли образуются в результате добычи полезных ископаемых, однако еёпоследствия, как правило, на много тяжелее, чем после других нарушений, кроме тогомасштабы добычи постоянно растут (Walker, Willig 1999).