Введение к работе
Актуальность проблемы. Распространение в XIX веке промышленного производства в ряде стран положило начало научно-техническому прогрессу. С этого момента развитие человеческой цивилизации стало оказывать все более возрастающее влияние на литосферу Земли. Уже в начале XX века В.И. Вернадский отметил, что “эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу – научную мысль социального человечества” (Вернадский, 1991).
В качестве главной тенденции он выделил “...интенсивный рост влияния одного видового живого вещества – цивилизованного человечества – на изменение биосферы”. В 1931 г. академик А.Е. Ферсман впервые ввел в научный оборот термин “техногенез”, под которым подразумевался процесс индустриального изменения биосферы (Ферсман, 1931). Он показал основные области влияния человеческой деятельности на геохимические процессы в условиях гипергенеза и на глубинах, доступных геологоразведочным работам и добыче полезных ископаемых, а также масштабы ее проявления. Наиболее значимыми из них, уже в то время, он отмечал горнодобывающую и металлургическую промышленность.
В Кемеровской области сосредоточены огромные запасы каменного угля, которые оцениваются в 524,4 млрд т. Общая площадь Кузнецкого бассейна насчитывает 27 тыс. км2 (Потапов и др., 2005). В настоящее время добычу угля в регионе ведут 60 шахт и 35 угольных разрезов. Неизбежным следствием горно-промышленного производства являются карьерные выемки, отходы в виде отвалов вскрышных горных пород, подработанные шахтовые земли. Установлено, что на 1 млн т. добытого угля приходится 36 га уничтоженного слоя плодородной земли. Общая площадь бедлендов в бассейне составляет не менее 91,7 тыс. га, включая и зоны подтопления в районах закрытых угольных шахт (Счастливцев, 2003). Уровень экологической емкости в районах добычи угля превышен в 4 раза (Литвененко и др., 2008).
Изучение процессов, происходящих при восстановлении растительного покрова, является фундаментальной задачей для изучения устойчивости и регенерации экосистем, а также для решения вопросов сохранения биологического разнообразия и повышения качества окружающей среды, Прикладное значение исследования механизмов восстановления нарушенных земель также велико, поскольку на их основе совершенствуются технологии и приемы рекультивации земель.
Цель работы: выявить закономерности формирования растительного покрова в техногенных ландшафтах Кузбасса.
Задачи исследований:
-
Изучить экологические условия в местообитаниях техногенных ландшафтов Кузбасса.
-
Выявить состав флоры техногенных ландшафтов угольной промышленности и провести ее анализ.
-
Исследовать состав парциальных флор техногенных экотопов.
-
Определить направленность сукцессионных процессов и степень сформированности растительного покрова на отвалах в 3-х природно-климатических подзонах Кузбасса.
-
Разработать эколого-биологические критерии оценки пригодности нарушенных земель для рекультивации.
Методы исследования основываются на изучении экологических особенностей нарушенных земель (температурного режима, относительной влажности, агрохимического состава горных пород); экотопологической структуры флоры техногенных ландшафтов методами сравнительной флористики (Юрцев, 1968, 1975; 1982; 1987) и геоботаники (Александрова, 1964; Воронов, 1973); методах изучения растительных сообществ, находящихся на разных стадиях сукцессионного развития (Норин, Китсинг, 1982), компьютерной обработке данных с использованием программного обеспечения «IBIS» (Зверев, 1998); математической статистике и эколого-биологическом анализе флоры.
Научная новизна. Впервые изучен комплекс экологических условий, складывающихся на отвалах. Выявлены основные лимитирующие факторы тормозящие развитие растительного покрова. На уровне микрорельефа выделено 8 основных типов экотопов, контрастных по своим экологическим характеристикам и определяющих степень относительной благоприятности местообитаний. Раскрыто содержание понятия флора техногенных экотопов на примере зарастания отвалов Кузбасса. Впервые изучена флора техногенных ландшафтов Кузбасса, которая насчитывает 557 видов. В их числе 14 видов из Красной книги Кемеровской области; 12 новых для области таксонов и 1 вид – новый для флоры Сибири. Составлены флористические списки отвалов с указанием проективного покрытия и встречаемости для каждой подзоны и стадии сукцессии. Выделены и обоснованы стадии первичных сукцессий. Восстановительные растительные сукцессии в техногенных ландшафтах протекают в 3 стадии: пионерная, простая, сложная группировки. Растительные сообщества, находящиеся на заключительной стадии зонального фитоценоза, на отвалах Кузбасса не обнаружены. Каждая из стадий характеризуется определенными показателями развития фитоценоза (количество видов, общее проективное покрытие, ярусность и др.) и имеет набор характерных видов, который изменяется от одной стадии к другой. Доказано, что формирование растительных сообществ на отвалах в различных природно-климатических подзонах Кузбасса происходит неодинаково, в строгом соответствии с зональными условиями, т.е. за счет видов окружающих территорий и под влиянием локальных природно-климатических условий. Так, наиболее благоприятные лесорастительные условия формируются в горно-таежной подзоне, расположенной в южной части Кузбасса, где в ходе сингенетической сукцессии после промежуточной стадии мелколиственных лесов формируются насаждения из пихты, ели, кедра и сосны обыкновенной.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Сингенез на отвалах носит зональный характер, но корректируется локальными экологическими условиями.
2. Экологические условия техногенных местообитаний не препятствуют переселению растений природных экосистем на отвалы.
3. Вне зависимости от экологических условий местообитаний и географического положения техногенных ландшафтов наиболее активными пионерными растениями являются анемохорные эксплеренты.
4. Скорость сингенетических сукцессий определяется в большей степени напряженностью экологических факторов и в меньшей – возрастом отвалов.
Практическая значимость работы. Установлена зависимость степени продвинутости сингенетических сукцессий от элементов техногенного рельефа, с комплексом присущих экологических условий, определяющих особые режимы влажности и температуры конкретного экотопа. Это послужило основой для разработки критериев пригодности нарушенных земель для биологической рекультивации. Разработан интегральный показатель пригодности отвалов к рекультивации, который позволяет определить перспективность восстановления экосистем: самовосстанавливающаяся, частично-, слабо- и невосстанавливающаяся.
С помощью этого показателя можно ранжировать территорию отвала, выделяя участки с необходимым комплексом мероприятий по рекультивации. Полученные материалы вошли в первоочередные инновационные проекты по восстановлению и реабилитации нарушенных земель в Кузбассе и апробированы на отвалах предприятий ОАО «Кузбассразрезуголь» и ООО «Участок Коксовый»; использованы при составлении рабочих проектов рекультивации железнодорожных отвалов и гидроотвалов, прошедших этап консервации; применяются в учебном процессе в курсе «Экология растений» при подготовке специалистов биологов в КемГУ, и в курсе «Рекультивация нарушенных земель» при подготовке специалистов сельского хозяйства в АлтГАУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях: “Биологическая рекультивация нарушенных земель” (Екатеринбург, 1996), “Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды” (Иркутск, 1996), “Ecological Engineering” (Beijing, 1996); «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2006); «Мировые инновационные технологии восстановления нарушенных и загрязненных земель техногенных регионов» (Кемерово, 2008); «Проблемы и перспективы инновационного развития экономики Кузбасса» (Кемерово, 2008); «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Павлодар, 2009); «Проблемы экологии» (Иркутск, 2010); «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010); «Проблемы изучения растительного покрова Сибири» (Томск, 2010).
На всероссийских конференциях: Томск, 1995; Барнаул, 1996, 2003; Ижевск, 1998; Красноярск, 2006; Иркутск, 2007; Саратов, 2009; Кемерово, 2004, 2006, 2009, 2010.
Личное участие автора в получении результатов. Научные исследования по поставленной проблеме проводились автором в Кемеровской области в Институте экологии человека СО РАН (ИЭЧ СО РАН) в рамках проектов и программ: при выполнении плановых научно-исследовательских работ СО РАН (6.3.1.7.); ФЦП «Интеграция науки высшего образования России на 2002-2006 годы» (госконтракт № И0615, И0539/1336 от 16 сентября 2002 г. и дополнений к нему № 899 от 10 июня 2003 г.; ФЦП «Интеграция» (№ 123); «Исследование скорости сингенеза и демутации растительного покрова в районах добычи угля» (грант РФФИ №10-04-98001).
Диссертационная работа является результатом 15-летних исследований автора, который обосновал тему, определил цель и задачи исследования, подобрал методику исследований и усовершенствовал ее применительно к новым объектам – техногенным ландшафтам, выполнил полевые исследования, систематизировал полевой материал, проанализировал результаты и обосновал критерии пригодности техноземов для работ по рекультивации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ, из которых 6 коллективных монографий, 11 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, cписка литературы, включающего 383 источникf, (в том числе 54 иностранных), насчитывает 372 страницы, содержит 45 таблиц, 49 рисунков, 2 приложения.
