4,7−5,7 М, средний диаметр ствола 7−10 см, максимальный диаметр ствола – 26 см. Многие березы и осины имеют более высокие морфометрические пока-

затели, чем хвойные. На этом участке хорошо развит ярус подроста: от 6 до 20

особей на 100 м2. Высока плотность всходов: 20−53 особи на 100 м2, большин-

ство из них ели, а не кедр, как на участке самозарастания.

Кустарниковый ярус представлен семью видами, максимальное обилие

имеют шиповник, ракитник, малина, реже встречаются можжевельник, рябина,

черемуха, жимолость. По сравнению со старым участком самозарастания (за-

сыпка 1958 г.) кустарниковый ярус выражен слабее. Травянистый ярус также

развит слабее как по высоте, так и по обилию видов. Виды__________, описанные на этом

участке, чаще относятся к луговым и сорно-рудеральным: гвоздика-травянка,

лапчатка прямостоячая, чины –луговая, весенняя, горошки –мышиный, забор-

ный, лесной, очанка волосистая, липучка обыкновенная. Из лесных видов отме-

чены зимолюбка зонтичная, ортилия однобокая, черника, грушанка малая и др.

Проективное покрытие травянистой растительностью 20−40 %.

Растительный покров на участке посадок (7-летний в 1971 г.) имел ясно

выраженное раздельно-групповое сложение. Общее проективное покрытие по-

верхности участка растительностью 30–0 %, задерненность 30−35 %. Фон соз-

дают древесные (высотой 30−70 см): осина, березы –бородавчатая и пушистая,

ивы, сосна. Из травянистых фоновым растением являлся кипрей узколистный.

Хорошо заметны куртины клевера ползучего диаметром от 30−50 см до не-

скольких метров и мать-и-мачехи.

Исследования 2000-го г. показали, что на участках, где были произведены

механизированные посадки сосны, формирование фитоценоза вопреки ожида-

ниям идет довольно медленно. Загущенность посадок, наличие погибших де-

ревьев, слабо развитые ярусы подроста и кустарников −характерные приметы

данного участка. Морфометрические показатели сосны обыкновенной: возраст

около 33 лет, максимальная высота 8−12 м, диаметр кроны 2−4 м, средний диа-

метр ствола 5−10 см. Максимальный диаметр ствола 19 см отмечен у сосен, не

входящих в ряд посадок и появившихся раньше, чем были произведены посад-

ки. У деревьев, посаженных 30 лет назад, диаметр ствола колеблется от 2 до

7 см.

Ярус подроста представлен в основном елью и кедром −от 2 до 6 особей

на 100 м2. Кустарниковый ярус представлен шиповником, ракитником, можже-

вельником, рябиной, единичными особями черемухи. Наблюдается дополни-

тельное пополнение древесных растений: всходы составляют 16−26 особей на

100 М2 (кедр, ель, береза, осина), причем всходы ели и кедра преобладают, со-

ставляя в среднем соответственно 13 и 5 особей на 100 м2. Проективное покры-

тие травянистой растительностью –5−30 %. Встречаются участки, не покрытые

растительностью.

Причиной неудовлетворительного состояния посадок, на наш взгляд, яв-

ляется отсутствие ухода за посадками сосны, так как приживаемость саженцев

через год после посадки составила 78−85 %. Изначальное расстояние между

саженцами составляло 30−50 см. В настоящее время расстояние между соснами

мало изменилось и равно 30−100 см, поэтому они находятся в равномерно угне-

тенном состоянии. Рубки ухода могли бы улучшить состояние посадок.

В целом при анализе видового состава подроста и всходов проявляется

тенденция к будущей смене доминантов древесного яруса. Наиболее обильны-

ми и имеющими высокий процент встречаемости являются всходы ели сибир-

ской, кедра, пихты сибирской, которые в будущем будут формировать темно-

хвойный, более типичный для изучаемого района лес.

Л ек ци я 5

О ﾑО ﾁЕ ﾍН ﾎС ﾒИБ ﾈО ﾋО ﾃИ ﾗЕ ﾑК ﾎЙР ﾅК ﾓЛ ﾜТ ﾈВ ﾀЦ ﾈИ Н ﾀР ﾓШ ﾅН ﾍЫ ﾕ П ﾐО ﾌЫ ﾘЛ ﾅН ﾍО ﾑТ ﾜЮЗ ﾅМ ﾅЛ ﾜ Н ﾀ У ﾐА ﾋЕ Основные теоретические разработки исследователей Ураль-

ского университета. Промышленная ботаника: задачи и основные

проблемы. Экологические основы биологической рекультивации

золоотвалов тепловых электростанций. Особенности формирова-

ния флоры и растительности золоотвалов в зависимости от зональ-

но-климатических условий. Содержание тяжелых металлов в сис-

теме «субстрат-растение» на золоотвалах. Экологические основы

биологической рекультивации отвалов угледобывающей промыш-

ленности. И опыт их биологической рекультивации. Блок-схемы

биологической рекультивации отвалов Кизеловского, Челябинско-

го угольного бассейнов и Карпинско-Волочанского угольного рай-

она. Оценка качества фитомассы с отвалов угледобывающей про-

мышленности по содержанию тяжелых металлов.

Урал –старый промышленный регион, где добыча и переработка полез-

ных ископаемых ведется более 100 лет. Площадь промышленных отвалов на

Урале составляет свыше 100 тыс. га. Вокруг городов с развитой промышленно-

стью образуются «индустриальные пустыни», которые не только заменяют

ценные сельскохозяйственные и лесные угодья, но и негативно влияют на жиз-

ненную среду человека.

Большая часть этих земель расположена в пределах восточных предгорий

Уральских гор и пересекает с севера на юг все подзоны тайги и часть северной

лесостепи (зона актуальной рекультивации, район неотложной массовой ре-

культивации по Б. П. Колесникову и А. И. Лукьянцу, 1976). Для этого района

характерны маломощные сильнокаменистые почвы, а на старых промышлен-

ных предприятиях нет запасов почвы и потенциально плодородных пород для

создания рекультивационного слоя. Здесь сосредоточено свыше 30 типов про-

мышленных отвалов, в том числе, сформированных валовым способом 50 и бо-

лее лет назад. Биологическая рекультивация на Урале в «классическом» норма-

тивном виде, из-за вышеуказанных причин, не нашла широкого применения.

С самого начала исследований по биологической рекультивации (начало

60-х годов XX в. под руководством В. В. Тарчевского) большое внимание уде-

лялось инвентаризации промышленных отвалов, изучению темпов и интенсив-

ности их естественного зарастания (Чибрик, Елькин, 1991) и начальных этапов

почвообразования (Махонина, 2003).

Процесс рекультивации предусматривает в конечном счете создание ус-

тойчивых, продуктивных, хозяйственно и социально ценных биогеоценозов и

предполагает не только увеличение площади сельскохозяйственных и лесных

угодий за счет нарушенных земель. Часто на первый план выступают задачи

охраны и оздоровления среды обитания населения.

Фитоценозы __________техногенных ландшафтов, возникшие в процессе самозарас-

тания, –результат сложного взаимодействия зонально-климатических и кон-

кретных экологических условий: чем последние благоприятнее, тем ближе к

зональному типу формирующиеся фитоценозы. В зависимости от условий воз-

можно формирование азональных и интерзональных фитоценозов.

Мероприятия биологического этапа рекультивации на Урале сводятся к

посеву многолетних трав, посадке деревьев и кустарников испытанного и по-

добранного ассортимента с учетом эдафических и зонально-климатических ус-

ловий. Особый интерес представляет наличие площадей, выделенных в группу

не требующих биологической рекультивации, которые на угольных месторож-

дениях Урала составили от 20 до 30–0 % (Чибрик, 2003). Для выделения этих

площадей определяющими показателями являлись возраст отвалов и интенсив-

ность естественного восстановления растительного покрова. Основные направ-

ления использования рекультивированных площадей –санитарно-

гигиеническое, рекреационное, сенокосно-пастбищное, лесохозяйственное.

Зонально-климатические условия на Урале не являются препятствием для

биологической рекультивации образованных отвалов и других типов нарушен-

ных земель. Способы биологической рекультивации определяются свойствами

субстрата, которые исследуются в предпроектных изысканиях. При этом необ-

ходим учет восстановительных сил природных экосистем: при прочих равных

условиях они оказались значительно выше в лесной зоне, чем в лесостепи и

степи. Введение этих земель в хозяйственный оборот происходит интенсивнее

в лесной зоне.

Важной особенностью биологической рекультивации на Урале в практи-

ческом плане является подбор и экспериментальное апробирование широкого

спектра субстратоулучшателей, а для отвалов Богословского и Веселовского

буроугольных месторождений обоснована возможность создания сенокосно-

пастбищных угодий без покрытия почвой или потенциально плодородными по-

родами с внесением умеренных доз минеральных и органических удобрений

(преимущественно торфа) и с подбором ассортимента многолетних трав. Эти

разработки положены в основу проекта доработки этих месторождений и прак-

тически реализованы на площади около 2000 га (урожай сена 15–0 ц/га).

Основные теоретические разработки исследователей Уральского универ-

ситета:

–разработаны классификации отвалов с учетом их пригодности для био-

логической рекультивации, более полно отражающие их характерные особен-

ности и помогающие выбрать подходящую технологию их биологической ре-

культивации (Тарчевский, 1970а; Колесников, Пикалова, 1974);

–обосновано выделение новой отрасли ботанических знаний –промыш-

ленной ботаники и сформулированы ее задачи (Тарчевский, 1970б);

–проведено биорекультивационное районирование Свердловской облас-

ти (Колесников, Лукьянец, 1976);

–проведен анализ восстановления фиторазнообразия на нарушенных

промышленностью землях Урала (Чибрик, Лукина, Глазырина, 2004);

–установлены основные закономерности структурно-динамической орга-

низации фитоценозов на разных типах нарушенных промышленностью земель

(Чибрик, Елькин, 1991; Лукина, 2002; Глазырина, 2002; Филимонова, 2005).

Разработанные классификации отвалов приведены в Разделе 1.

П ро мы шл ен на я б от ан ик а –комплексная отрасль биологических наук, ко-

торая исследует состояние, функционирование, рост и развитие растений и их

сообществ в специфических условиях промышленной среды (техногенных

ландшафтах).

В. В. Тарчевским (1970) для промышленной ботаники как самостоятель-

ного отдела среди ботанических дисциплин были сформулированы следующие

проблемы:

1. Изучение реакции растений и растительности на действие дымогазо-

вых и иных выделений промышленных предприятий.

2. Изучение изменений микробиоценозов и фитоценозов водоемов и за-

ливных лугов под влиянием сточных вод промышленных предприятий.

3. Выявление состава растительности и установление сингенетических

смен фитоценозов на промышленных отвалах.

4. Разработка биологических основ озеленения заводских территорий,

цехов, шахтных дворов и пустот горных выработок.

5. Изучение влияния вибрации и шума в цехах промышленных предпри-

ятий на растения.

6. Выявление растений –индикаторов полезных ископаемых.

По каждой из названных проблем наряду с общепринятыми должны при-

меняться особые методы исследования. Имея свой специфический объект ис-

следования, основные методы исследования, вправе предполагать получение

новых теоретических обобщений и закономерностей.

Промышленная ботаника (по В. В. Тарчевскому) ставит своей задачей

и зу че ни е о со бе нн ос те й с тр ое ни я, р ос таир аз ви ти я р ас те ни й иф ор ми ро ва ни я

ф ит оц ен оз оввз он е д ей ст ви я з аг ря зн ен ийп ро мы шл ен ны х п ре дп ри ят ийин ей-

т ра ли за ци ю п ос ле дн ихвэ ти х у сл ов ия х сп ом ощ ьюр ас ти те ль но ст и.

Разработка научных основ и новых технологий и приемов биологической

рекультивации нарушенных земель –одно из важнейших направлений про-

мышленной ботаники.

На Урале, в связи с тем, что добыча полезных ископаемых и их перера-

ботка ведутся свыше 100 лет, сосредоточены значительные площади старых от-

валов, где естественным путем частично восстановлены почвенный и расти-

тельный покровы.

О со бе нн ос тиб ио ло ги че ск ойр ек ул ьт ив ац иин ар уш ен ны х п ро мы шл ен но-

с ть ю з ем ел ь н а У ра ле Большая часть населения земного шара уже в настоящее время живет в

окружении техногенных ландшафтов, они же энергично используются для

нужд рекреации и массового кратковременного туризма −так называемые при-

городные зоны. Свойственные им измененные биотические системы и сложные

инженерно-технические структуры создают постоянную среду жизни людей.

Но большинство техногенных ландшафтов в теперешнем их состоянии явно

неблагоприятны и даже опасны для здоровья человека.

Кроме того, все техногенные ландшафты из-за низкой биологической

продуктивности и специфических биофизических и биохимических свойств об-

разуют своеобразные провалы и барьеры на путях планетарной миграции ве-

ществ и энергии. Они искажают нормальный ход таких фундаментальных про-

цессов, протекающих в биосфере, как биологический круговорот азота, газовый

режим атмосферы и т. п., снижают их интенсивность.

В границах современных техногенных ландшафтов отношения между

структурами техносферы и биосферы в той или иной степени антагонистичны,

возможности их гармоничного существования ограничены и должным образом

не используются.

Характерной чертой их является нарушение целостности и сплошности

«пленки жизни» (по терминологии В. И. Вернадского) в биосфере, в пл от ь д о

п ол но гоу ни чт ож ен ияп оч ве нн ог о ир ас ти те ль но гоп ок ро во в в результате дея-

тельности человека, сравнимой по значимости с геологическими процессами.

Среди техногенных ландшафтов особое место по своему отрицательному воз-

действию на естественные природные комплексы (да и на здоровье человека)

занимают так называемые п ро мы шл ен ны е о тв ал ы. На Урале они концентриру-

ются в окрестностях большинства населенных пунктов и всех крупных городов.

Участие органического вещества в общей массе таких промышленных

отвалов (н ео эк от оп ов) ничтожно. Присущие им сообщества живых организмов

изменчивы и часто случайны по составу видов, примитивны по структуре, ма-

лоустойчивы и часто не способны к самовоспроизводству из поколения в поко-

ление. Другими словами, они лишены многих качеств эволюционно зрелых

природных биогеоценозов.

Следовательно, образование промышленных отвалов можно рассматри-

вать как особый процесс катастрофической деградации (уничтожения) почвен-

ного и растительного покровов.

Промышленные отвалы требуют рекультивации.

Основная задача исследовательских, опытно-производственных и произ-

водственных работ по рекультивации −устранить вредоносное, загрязняющее

воздействие этих земель на прилегающие территории, вернуть им биологиче-

скую и социально-экономическую ценность.

Э ко ло ги че ск иео сн ов ы б ио ло ги че ск ойр ек ул ьт ив ац ииз ол оо тв ал овт еп ло-

в ыхэ ле кт ро ст ан ци й

Х ар ак те ри ст ик а з ол ы к акс уб ст ра тад ляв ыр ащ ив ан ияр ас те ни й. Золо-

отвалы (шлакоотвалы) тепловых электростанций, работающих на высокозоль-

ных углях, это своеобразные образования современного урбанизированного

ландшафта, созданные человеком и не имеющие аналогов в природе. «Свежая»

зола с золоотвалов является практически стерильным субстратом.

По механическому составу субстрат золоотвалов представлен несвязан-

ными частицами золы с включением шлака и характеризуется процентным со-

отношением частиц разных размеров. Мощность зольных отложений колеблет-

ся от 2 до 20 м. Зольные отложения светло- или темно-серого цвета, иногда с

черными включениями несгоревших угольных частиц. Преобладают мелкозер-

нистые отложения золы (табл. 15), преимущественно фракции физического пес-

ка (1−0,05 мм) и пыли (0,05−0,001 мм).

По валовому химическому составу (табл. 16) субстрат золоотвалов Верх-

нетагильской ГРЭС (ВТГРЭС) и Южноуральской ГРЭС (ЮУГРЭС) соответст-

вует алюмосиликатным образованиям (SiO2: 48,4−58,3 %, Al2O3: 23,4−31,4 %).

В золе практически отсутствует азот, нет органического вещества. Частицы не-

сгоревшей угольной пыли (потенциальный гумус) связаны с силикатами золы

и, подвергаясь медленным физико-химическим и биохимическим превращени-

ям, играют малую роль в формировании плодородия золы. Содержание под-

вижного фосфора колеблется от 0,44 до 23,5 P2O5 мг/100 г золы, обменного ка-

лия −от 1,6 до 7,0 мг/100 г золы. Зола углей −субстрат незасоленный, обладает

небольшой емкостью поглощения, аналогичной легким по механическому со-

ставу почвам, из-за обедненности высокодисперсным органическим веществом

и илистыми частицами. Поглотительная способность верхних слоев толщи зо-

лоотвалов может быть увеличена нанесением на поверхность золоотвала торфа,

почвы, почвогрунта, внесением минеральных удобрений, поливом обезврежен-

ными сточными водами. Реакция среды щелочная (рН = 8,0−8,5), но в границах

пригодных для роста и развития растений. Субстрат золоотвалов содержит

большой спектр макро- и микроэлементов. Химический состав и другие свой-

ства золы определяются свойствами сжигаемых углей (см.: Пасынкова, 1974).

По температурному режиму зола углей относится к слаботеплопровод-

ным субстратам с резкой амплитудой колебаний температур на поверхности и

глубине.

Водно-физические свойства зольного субстрата довольно своеобразны.

Зола углей обладает хорошей скважностью и воздухообеспеченностью, водо-

проницаемость от значительной до средней на уровне суглинистых и супесча-

ных почв. Неблагоприятные условия возникают в период прорастания семян и

на первых этапах жизни растений, так как в это время корни располагаются в

слое 0−10 см, который подвергается быстрому и сильному иссушению. Для зо-

лоотвалов характерны сильное пыление с поверхности из-за отсутствия связно-

сти частиц и цементация глубоких слоев.

Таким образом, по водно-физическим свойствам и химическому составу

золу углей можно отнести к субстратам пригодным для существования расте-

ний, но для создания долголетних продуктивных культурфитоценозов нужны

агротехнические мероприятия, направленные на улучшение свойств золы углей

как субстрата для выращивания растений.

Ф р・ и・ о・ а・ и・ ・ э о・ о・ о・ ・ иф т・ ц・ н・ з・ вн・ ・ з л・ о・ в・ л・ х・ З ол оо тв алБ ТЭ Ц. Изучение __________состояния поверхности золоотвала и сфор-

мировавшихся фитоценозов было проведено в августе 1999 г., через 27 лет по-

сле окончания его формирования. Характерной особенностью золоотвала явля-

ется избыточное переувлажнение за счет протекающей по его поверхности

р. Жданки и загрязнение части площади шламом с рядом расположенного шла-

мохранилища алюминиевого завода (БАЗ).

По эдафическим условиям, исходя из свойств субстрата, всю территорию

золоотвала можно разделить на 3 группы: