The relationship of conditional weeds and meadow-steppe plants during vegetation cover restoration in coal industry dumps

39 Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. С. 39 –50 . О.А. Куприянов1,2, В.И. Уфимцев2, Ю.А. Манаков3, Е.Л. Счастливцев1 ВЗАИМООТНОШЕНИЕ УСЛОВНО СОРНЫХ И ЛУГОВО-СТЕПНЫХ РАСТЕНИЙ ПРИ РЕСТАВРАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ОТВАЛОВ 1Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук 2Институт экологии человека Федерального исследовательского центра угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук 3Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук Приведены результаты многолетнего эксперимента по созданию природоподобного луговостепного сообщества на отвалах вскрышной породы путем внесения травяно-семенной смеси. Для эксперимента на вскрышу наносилась почва и лесовидные суглинки, контролем выступил участок отвала без внесения почв или суглинков. Участки без внесения травяно-семенной смеси находятся на пионерной и группово-зарослевой стадии сингенеза. Применение травяно-семенной смеси в значительной мере способствует изменению направленности сингенеза в сторону образования природоподобного сообщества, при этом происходит постоянное снижение количества и доли сорных видов в проективном покрытии как при внесении почв, так и при внесении суглинков. Ключевые слова: природоподобные сообщества, отвалы угольных предприятий, плодородный слой почвы, потенциально-плодородные породы, травяно-семенная смесь Цитирование: Куприянов О.А., Уфимцев В.И., Манаков Ю.А., Счастливцев Е.Л. Взаимоотношение условно сорных и лугово-степных растений при реставрации растительного покрова отвалов // Промышленная ботаника. 2025. Вып. 25, № 2. С. 39–50. DOI: 10.5281/zenodo.15771662 Введение Формирование растительных сообществ на территориях, подвергнутых катастрофическим изменениям, подчиняется общим закономерностям первичных сукцессий, описанным в большом количестве работ [12, 18, 22, 23]. Во временном отношении восстановление растительных сообществ растягивается на десятки, а иногда на сотни лет. Отвалы Кузбасса имеют возраст 30–70 лет, но их растительный покров не достиг состояния естественных фитоценозов, характерных для данной климатической зоны [5]. На отвалах Кузбасса отмечены три стадии сингенеза (рис. 1). Сукцессионное развитие растительных сообществ – строго детерминированный процесс [16], конечным этапом которого является климаксовая стадия [24]. При этом эволюционного развития растительности [11], как правило, не происходит, формируются зональные или интразональные сообщества [4]. Исторически сложилось, что восстановление растительного покрова на отвалах относится к сельскохозяйственному направлению биологической рекультивации и направлено на формирование продуктивных сообществ [8]. ФИТОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УДК 581.522.4(571.4) DOI: 10.5281/zenodo.15771662 40 Куприянов О.А., Уфимцев В.И., Манаков Ю.А., Счастливцев Е.Л. Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. Попыток создания природоподобных сообществ на отвалах с целью восстановления утраченного флористического разнообразия практически не предпринималось. При этом возникает вопрос о взаимодействии рудеральных растений (занос которых на отвал происходит постоянно) и видов искусственно создаваемых сообществ. Цель и задачи исследований Цель исследования – изучить возможность на экспериментальном полигоне создать природоподобное растительное сообщество путем внесения на отвал травяно-семенной смеси (далее – ТСС) лугово-степных растений и проследить взаимоотношение сорных и луговостепных видов с использованием коэффициента синантропизации. Объекты и методики исследований Исследования проводили на полигоне, расположенном на отвале вскрыши Виноградовского угольного разреза (Кемеровская область, Беловский район) с 2014 по 2023 гг. Отвал вскрыши представлен глинами и суглинками, песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Соотношение основных горных пород разреза следующее: аргиллиты – до 2 %, алевролиты 28–20 %, песчаники 72–78 %. Каменистость грунтов возрастает с глубины 20–30 см, под верхним полностью разложившимся на мелкозем слоем породы встречаются куски горной массы, сохраняющие свою форму и монолитность. В прикладной ботанике термин «сорные растения» применяется к сельскому хозяйству. В.В. Никитин [13] считал, что сорные растения это не культивируемые человеком, но исторически приспособившиеся к условиям возделывания культурных растений, растущие вместе с ними и наносящие им вред. Т.Н. Ульянова [19] считает, что сорным растение делает его экология вторичного местообитания и отношение человека к нему на определенном отрезке времени. В нашем исследовании условно сорными растениями мы считаем те виды, которые не относятся к степным, лугово-степным, луговым сообществам, расположенных вблизи отвала, флора которых хорошо изучена [9]. ТСС заготавливали в естественных степных сообществах в три срока (июль, август, сентябрь). В качестве нормы брали количество ТСС, скошенной с 225 м2, равное площади одного варианта. Донором заготовки ТСС стал степной массив «Бачатские сопки», расположенный на территории Беловского района Кемеровской области. На плакорных равнинных участках отмечено 64 вида высших сосудистых растений, в том числе фрагменты целинных ассоциаций ковыльно-разнотравных степей с доминированием Stipa capillata L., Festuca pseudovina Hack. ex Wiesb., Koeleria Рис. 1. Характеристика стадий сингенеза на отвалах [5] Fig. 1. Characteristics of syngenetic stages in landfill sites [5] 41 Взаимоотношение условно сорных и лугово-степных растений при реставрации растительного ... Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. cristata (L.) Pers., а также Medicago falcata L., Phlomis tuberosa L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC., Artemisia frigida Willd., Allium nutans L., A. vodopjanovae Friesen, Hedysarum gmelinii Ledeb. В понижениях формируются луговые степи с участием Scabiosa ochroleuca L., Filipendula vulgaris Moench, Otites wolgensis (Hornem.) Grossh. и др. (таблица). Коэффициент синантропизации составил 9,4 %, доля в общем проективном покрытии (далее – ОПП) составила 3,2 %. На мониторинговом полигоне изучали следующие варианты подготовки поверхности отвала: нанесение плодородного слоя почвы (далее – ПСП), нанесение потенциально плодородного слоя суглинков (далее – ППП), контроль (инициальный эмбриозем) (рис. 2). Каждая площадка имела размер 225 м2 (15 × 15 м). На 4 площадки наносился слой плодородной почвы из буртов (первоначально это был чернозем выщелочный) слоем 6–10 см. На 4-х площадках вносили аналогичный слой глин и суглинков отвалов вскрыши. Четыре площадки были Рис. 2. Схема эксперимента по реставрации растительности на отвале Fig. 2. The scheme of the experiment on the restoration of vegetation on the dump 𝐾𝐾𝑆𝑆= 𝑎𝑎𝑖𝑖 𝑎𝑎𝑖𝑖+ 𝑏𝑏𝑖𝑖 ×100 % , где ai – встречаемость синантропных видов в составе спонтанной флоры, bi – встречаемость видов в сообществе. оставлены без улучшения по единой схеме: без внесения ТСС (0N), одна норма внесения ТСС (1N), две нормы внесения ТСС (2N), три нормы внесения ТСС (3N). Нанесение ТСС на участки осуществляли в октябре 2014 г., наблюдения за растениями, проведение укосов проводили ежегодно во второй декаде июля. Растения, появляющиеся на опытных площадках, относили к сорным (условно сорным) [19] или к лугово-степным видам, обитающим на Бачатских сопках. В каждом варианте закладывали по 12 пробных площадок (n=12), площадью 1 м2; определяли количество видов, встречаемость, %, парциальное проективное покрытие, % [15, 18]. Коэффициент синантропизации флоры (Кs) рассчитывали по формуле, предложенной Е.П. Прокопьевым с соавторами [14]. , 42 Куприянов О.А., Уфимцев В.И., Манаков Ю.А., Счастливцев Е.Л. Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. Результаты исследований и их обсуждение Контроль. Отвал вскрыши представлен глинами и суглинками, песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Каменистость грунтов возрастает с глубины 20–30 см, что свидетельствует о замедлении процесса выветривания в глубине. Под верхним полностью разложившимся на мелкозем слоем породы встречаются куски горной массы, сохраняющие свою форму и монолитность. По механическому составу мелкозем пород отвала относится к суглинкам (от средних до тяжелых), местами – к легким глинам. Однако физические свойства техногенных элювиев горных пород – водопроницаемость, аэрация, устойчивость против эрозии – не соответствуют таковым у зональных почв с аналогичным механическим составом, эти свойства более присущи грунтам легкого механического состава. На момент организации полигона по реставрации растительный покров отвала находился на пионерной стадии и стадии образования группово-зарослевых сообществ [10]. На территории отвала вблизи строящегося полигона найдено 24 вида высших растений. Коэффициент синантропизации достигал 87,5 %, доля в ОПП составляла 96,9 % (таблица). В варианте без внесения ТСС зарастание отвала происходит по типу формирования пионерного сообщества: всходы растений отмечены только в 2016–2017 гг. Это были всходы лугово-степных растений Stipa capillata, Oxytropis pilosa (L.) DC., Oxytropis campanulata Vass. (семена которых попали с других вариантов) и однолетнего сорного растения Salsola collina Pall., которая является пионером зарастания отвалов в лесостепной зоне [6] и на контрольном участке она присутствовала в течение шести лет. Количество видов в этом варианте увеличивалось от 1 в 2015 г. до 8 в 2023 г., в первые годы наблюдений коэффициент синантропизации составлял 100 %, в дальнейшем он постепенно снижался и в среднем составил 58 %. Близость опытных вариантов привела к пересеванию лугово-степных видов: Goniolimon speciosum (L.) Boiss., Oxytropis pilosa, Gypsophila gmelinii Bunge (рис. 3). Проективное покрытие в контроле неуклонно увеличивалось с 0,1 % в 2015 г. до 16–20 % в 2021–2023 гг. Доля сорных видов первые три года практически составляла 100 %. Затем она снизилась до 19–40 %, но в 2023 г. неожиданно возросла до 95 %, что связано со вторичным поселением таких сорных видов как Artemisia sieversiana Willd. и Salsola collina Pall. (рис. 4). Под влиянием внесения 1–3N ТСС количество видов увеличилось от 8 до 11. Увеличилось проективное покрытие с 21,8 % (1N) до 26,9 % (3N). При этом снизилась доля сорных видов (1N – 23,4 %; 2N – 18,1 %; 3N – 7,5%). Вариант с нанесением почвы (ПСП). Почва для эксперимента наносилась из буртов, которые согласно ГОСТ 17.5.3.04-83 [1] были образованы несколько десятилетий назад при подготовке земельного участка под строительство угольного разреза. Формирование растительного покрова на буртах происходило исключительно за счет сорных растений (таблица). Происходило биологическое загрязнение буртов Таблица. Характеристика флористического состава экотопов (n=10) Показатель Степной участок (донор) Флористический состав буртов плодородной почвы Флористический состав отвала разреза «Виноградовский» Количество видов 64 19 24 В том числе сорных 6 16 21 Коэффициент синантропизации 9,4 84,2 87,5 ОПП, % 94,5 82,2 32,5 В том числе сорных 3 80,4 31,5 Доля сорных, % 3,2 97,8 96,9 43 Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. Взаимоотношение условно сорных и лугово-степных растений при реставрации растительного ... 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 Контроль, 0N 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 Контроль, 1N 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 Контроль, 2N 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 Контроль, 3N Рис. 3. Формирование растительного покрова в контроле: А, Б – 0N в 2017 и 2022 годах; В, Г – 3N в 2017 и 2022 годах Fig. 3. Vegetation cover formation in the control area: А, Б – 0N in 2017 and 2022; В, Г – 3N in 2017 and 2022 Рис. 4. Доля сорных видов в контроле (ОПП, %) Fig. 4. The proportion of weed species in the control (GPC, %) 44 Куприянов О.А., Уфимцев В.И., Манаков Ю.А., Счастливцев Е.Л. Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. длиннокорневищными растениями (Elytrigia repens (L.) Nevski и Bromopsis inermis (Leyss.) Holub), которые являлись доминантами растительного покрова с ОПП 37 и 16 % соответственно (63 % от общего проективного покрытия). В варианте с нанесением почвы без внесения ТСС поселилось 15 видов, из них доля сорных составила 60 %. Внесение ТСС положительно влияет на количество видов: внесение 1N ТСС – 27 видов, 2N ТСС – 25, 3N ТСС – 24 вида. Коэффициент синантропизации находился в диапазоне 25–29 % (рис. 5). В варианте с нанесением ПСП, но без внесения ТСС, в первые четыре года господствовал исключительно Elytrigia repens и отдельные экземпляры таких сорных растений как Artemisia sieversiana, Chenopodium album L., Conyza canadensis (L.) Cronquist, Linaria vulgaris Mill., Vicia cracca L. На 5–6 годы Elytrigia repens практически выпал из травостоя, и доля сорных растений стала резко снижаться. При внесении 1N ТСС в 2015 г. зарегистрировано максимальное количество видов – 56, в дальнейшем оно уменьшалось и в 2023 г. составило 31 вид. Коэффициент синантропизации уменьшался с 42,8 % в 2015 г. до 25,0 % в 2023 г. Максимальная доля сорных видов в ОПП отмечена в 2016 г. – 93,8 %, к 2023 г. она уменьшилась до 15,3 %. При внесении 2N ТСС в 2015 г. зарегистрирован 41 вид, в дальнейшем их количество уменьшалось и в 2023 г. составило 28 видов. Коэффициент синантропизации также уменьшался с 43,9 % в 2015 г. до 28,6 % в 2023 г. Доля сорных видов в проективном покрытии уменьшилась с 81,6 % до 2,0 % в 2022 г. (рис. 6). Рис. 5. Формирование растительного покрова в варианте с нанесением почвы: А, Б – 0N в 2017 и 2022 годах; В, Г – 3N в 2017 и 2022 годах Fig. 5. Vegetation cover formation in the variant with soil application: А, Б – 0N in 2017 and 2022; В, Г – 3N in 2017 and 2022 45 Взаимоотношение условно сорных и лугово-степных растений при реставрации растительного ... Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 0Nпочва 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 1Nпочва 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2Nпочва 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 3Nпочва Рис. 6. Доля сорных видов в вариантах с нанесением почвы (ОПП, %) Fig. 6. The proportion of weed species in variants with soil application (GPC, %) При внесении 3N ТСС в 2015 г. зарегистрировано 32 вида, в 2023 г. – 26 видов. Количество сорных видов уменьшилось с 18 до 4, а коэффициент синантропизации – с 56 % до 25 % соответственно. Общее проективное покрытие за период наблюдений увеличилось с 21 % в 2015 г. до 73 % в 2023 г. Доля сорных видов в проективном покрытии уменьшилась с 85,7 % до 1,3 % в 2023 г. (рис. 6). Вариант с внесением суглинков (ППП). Суглинки, наносимые на отвал, не имеют семязачатков семенных растений, их поселение происходит заносом семян как в летний, так и в зимний период. Следует отметить, что первоначально в суглинках, вносимых на поверхность отвала, содержание гумуса составляло 1 %, а содержание общего азота можно охарактеризовать как следы – 0,03 % – ниже, чем в техногенном элювии отвала. В варианте с нанесением суглинков без внесения ТСС зарегистрировано 14 видов в среднем за период наблюдений, коэффициент синантропизации составил 30,9 %. Внесение ТСС положительно влияет на количество видов: внесение 1N ТСС – 21 видов, 2N ТСС – 24, 3N ТСС – 23 вида. По этому показателю данные приблизительно одинаковы с предыдущим вариантом (рис. 7). При внесении 1N ТСС в 2015 г. зарегистрировано 19 видов, в дальнейшем количество видов изменялось в диапазоне 16–29 видов и в 2023 г. составило 21 вид. Коэффициент синантропизации уменьшался с 57,9 % в 2015 г. до 31,8 % в 2023 г. Доля сорных видов в ОПП в 2015 г. составила 40,7 % к 2023 г. она уменьшилась до 10,2 % (рис. 8). При внесении 2N ТСС за годы наблюдений количество видов снизилось с 32 в 2015 г. до 22 в 2023 г. Максимальный коэффициент синантропизации 50,0 % отмечен в 2016 г., в 2023 г. он составил 31,8 %. Доля сорных видов в проективном покрытии уменьшилась с 27,0 % до 15,2 % в 2023 г. При внесении 3N ТСС в среднем за 9 лет общее количество видов составило 23, это значительно меньше, чем в предыдущих вариантах. Коэффициент синантропизации уменьшался с 50,0 % в 2015 г. до 16,6 % в 2023 г. Доля сорных видов в проективном покрытии была минимальной в 2015–2016 гг. – 2,2 %, а затем постоянно увеличивалась и в 2023 г. составила 17,8 % (рис. 8). 46 Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. Куприянов О.А., Уфимцев В.И., Манаков Ю.А., Счастливцев Е.Л. Рис. 7. Формирование растительного покрова в вариантах с нанесением суглинков: А, Б – 0N в 2017 и 2022 годах; В, Г – 3N в 2017 и 2022 годах Fig. 7. Vegetation cover formation in variants with loam deposition: А, Б – 0N in 2017 and 2022; В, Г – 3N in 2017 and 2022 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 0Nсуглинок 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 1Nсуглинок 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 1Nсуглинок 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 3Nсуглинок Рис. 8. Доля сорных видов в вариантах с нанесением суглинков (ОПП, %) Fig. 8. The proportion of weed species in variants with loam deposition (GPC, %) 47 Промышленная ботаника, 2025. Вып. 25, № 2. Взаимоотношение условно сорных и лугово-степных растений при реставрации растительного ... Формирование растительного покрова техногенных ландшафтов происходит в процессе естественно поселения и искусственного внесения семян растений. Процесс зарастания отвалов в обоих случаях является результатом сложного сочетанного взаимодействия зонально-климатических и конкретных экологических условий, таких как свойства субстратов, микрорельеф и др., при решающей роли окружающей естественной растительности, являющейся источником заноса диаспор, и технологий рекультивации (рис. 9). Одним из основных критерием формирования природоподобных сообществ является сравнительно невысокий коэффициент синантропизации в сообществах. На территориях региональных степных заказников Кузбасса он составляет: «Бачатские сопки» – от 3,4 до 9,2 % [20]; «Горскинский» – 19,9 % [6]; «Караканский хребет» – от 6,2 до 21,3 % [14]; памятника природы «Чумайский Бухтай» – от 1,9 до 9,2 % [21]. В эксперименте по реставрации коэффициент синантропизации в варианте с нанесением почвы при внесении 3N ТСС в среднем за 9 лет составил 25,0 %, а при нанесении суглинков при внесении 3N ТСС – 20,7 %. При этом необходимо отметить, что доля синантропных видов в этом варианте через девять лет уменьшается до 7,4 %. При естественном зарастании отвалов даже на стадии простого фитоценоза этот показатель составляет более 30 % [10]. Эксперимент наглядно показал, что при наличии достаточного количества семязачатков лугово-степных растений сингенез ускоряется и к шестому году растения рудералы и стресс-толеранты уступают место стресс-толерантам-конкурентам, для которых ксерофитные условия отвалов удовлетворяют их жизненным потребностям. В тех случаях, когда нанесения ТСС не происходило, стадии сингенеза осуществляются в обычном порядке и на шестой год представлены группово-зарослевыми сообществами, также как и в вариантах с нанесением почвы и суглинков, но без внесения ТСС. Важным фактором для формирования природоподобных сообществ является качество наносимого субстрата. Согласно действующим стандартам складированных почв для целей биологической рекультивации является обязательным [1, 2]. Но длительное хранение почвы в буртах изменяет ее физико-агрономические свойства [3]. Бурты почвы зарастают сорными растениями, и прежде всего Elytrigia repens, что осложняет создание природоподобных сообществ. Применять эту почву для землевания едва ли возможно, поскольку конкуренция лугово-степных видов с сорными растениями сведет на нет всю выгоду от применения этого агроприема. Применение четвертичных суглинков и глин вскрыши обеспечивает более быстрое образование природоподобных сообществ с высокой продуктивностью. Рис. 9. Источники поступления семян на участок реставрации Fig. 9. Sources of seed supply to the restoration site