Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Рекультивация земель и круговорот углерода в лесных экосистемах 6
1.1. Рекультивация земель, нарушенных горнодобывающей промышленностью 6
1.2. Проблема исследования круговорота углерода в лесных экосистемах 22
Глава 2. Экологические условия региона 46
2.1. Геоморфология 47
2.2. Климат 50
2.3. Растительность 53
2.4. Почвы 56
2.5. Отвалы вскрышных пород 59
Глава 3. Объекты и методы исследований 62
Глава 4. Цикл углерода в формирующихся лесных экосистемах 66
4.1. Основные блоки углерода в лесных экосистемах 66
4.2. Потоки углерода в лесных экосистемах 80
4.2.1. Аккумуляция углерода в чистой первичной продукции 80
4.2.2. Формирование потока опада 86
4.2.3. Интенсивность потоков в деструкционном звене круговорота...88
4.3. Баланс углерода 100
Глава 5. Формирование гумусовой системы инициальных почв 103
5.1. Запасы и структура органического вещества инициальных почв .. 104
5.2. Скорости гумусообразования
Выводы 120
Литература 122
Приложения 142
- Проблема исследования круговорота углерода в лесных экосистемах
- Растительность
- Аккумуляция углерода в чистой первичной продукции
- Запасы и структура органического вещества инициальных почв
Введение к работе
Актуальность темы. Биосферная роль лесных экосистем заключается в стабилизации СОг атмосферы. До недавнего времени потоки углерода в системе атмосферно-биосферных связей беспрепятственно регулировались растительным покровом. Но трансформация растительного покрова вследствие пожаров, рубок леса, эрозионных процессов, а также отчуждение естественных земель под промышленные объекты, угольные разрезы и агроценозы ослабили механизмы регулирования потоков углерода в биосфере и размеры секвестра атмосферного СОг биотой.
Особенно влияние антропогенного фактора на обмен углерода в системе атмосфера <-* растительность <- почва +-* атмосфера проявляется в регионах издавна освоенных человеком. Так, лесостепи Красноярского края занимают всего 7% площади края, на них проживает более 58% населения, производится 65% промышленной и 40% сельскохозяйственной продукции Восточно-Сибирского экономического района. В результате антропогенного воздействия лесистость здесь снижена до 5-40%. Сельскохозяйственная освоенность ландшафтов выше, чем в европейской части России и составляет 40-60%. Экологическая оптимизация ландшафтов и сохранение земель сельскохозяйственного фонда возможна лишь при использовании под лесные культуры неудобных и непригодных для сельскохозяйственного производства территорий. Исследования по рекультивации радикально нарушенных экосистем при добыче угля открытым способом в Сибири проводились ранее [Трофимов и др., 1970; Трофимов, 1974; Шугалей и др., 1984; Шугалей и др., 1996; Шугалей, 1997; и др.] и показали возможность создания лесных культур на отвалах. Экологическое состояние искусственных лесных экосистем в полной мере оценивается по уровню обменных процессов в системе атмосфера <-* растительность <-> почва<-» атмосфера.
Цель - анализ углеродного цикла в искусственных лесных экосистемах, созданных на отвалах вскрышных пород Назаровского угольного разреза, как меры их экологического состояния.
Задачи:
- установить запасы углерода в основных компонентах блока
«растительность»: фитомассе древостоев и напочвенного покрова,
фитодетрите;
определить интенсивность основных потоков углеродного цикла (затраты углерода атмосферы на создание годичной продукции, освобождение углерода при разложении различных компонентов фитодетрита, включение углерода в синтез гумусовых веществ, возврат углерода в атмосферу);
выявить влияние фитоценозов на формирование органического вещества (углерода) инициальных почв.
Научная новизна. Впервые изучены основные звенья круговорота углерода в системе атмосфера <-» растительность <-» почва«-> атмосфера в искусственных лесных экосистемах, созданных на отвалах вскрышных пород.
Впервые дана оценка органического вещества инициальных почв, формирующихся на отвалах угольного разреза, с позиции разной устойчивости его составляющих к микробиологическому разложению.
Защищаемые положения:
1. Искусственные лесные экосистемы, созданные на отвалах
вскрышных пород, являются стоком для углерода атмосферы. Величина
чистой экосистемной продукции определяется возрастом и густотой
(полнотой) древостоев.
2. В эмбриоземах под культурами сосны за 20- 30-летний период
сформировались запасы органического углерода, сопоставимые с таковыми в
зональных почвах, но с повышенным содержанием лабильных и подвижных
форм.
3. Лесные экосистемы, созданные на хаотичных смесях отвалов вскрышных пород, характеризуются высокими запасами и интенсивностью основных потоков круговорота углерода, способны выполнять средообразующие и биосферные функции.
Практическое значение. Полученные материалы по круговороту углерода в искусственных лесных экосистемах свидетельствуют о целесообразности создания на отвалах вскрышных пород Назаровского угольного разреза лесных массивов водоохранного, почвозащитного, санитарно-гигиенического и рекреационного назначения.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 10 работ. Результаты исследований докладывались на региональных и всероссийских научных конференциях: Всероссийской студенческой конференции «Студенческая наука - взгляд в будущее» (Красноярск, КрасГАУ, 2005); на III Всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения Сибири и оценки земель» (Томск, 2005); конференции, посвященной 75-летию кафедры почвоведения Иркутского государственного университета (Иркутск, 2006); конференции молодых ученых Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (Красноярск, 2006); на заседании Красноярского отделения Докучаевского общества почвоведов (Красноярск, 2007).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 152 страницы. Диссертация содержит 21 таблицу и 18 рисунков. Список литературы включает 210 наименований, в том числе 22 -на иностранных языках.
Исследования поддерживались Российским фондом
фундаментальных исследований, Красноярским краевым фондом науки (№ 05-05-97704).
Проблема исследования круговорота углерода в лесных экосистемах
В биосфере Земли происходит постоянный процесс движения и перераспределения вещества. Биологический синтез органического вещества и его последующее разложение, перевод в минеральную форму составляют сущность биологического круговорота. Структурной единицей биосферы, где протекают вещественно-энергетические круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов, выступает биогеоценоз, одним из основных звеньев которого является система «растение-почва». Основная роль растений в процессах почвообразования - накопление гумуса в почве. В.А. Ковда [1985] подчеркивает, что «почвенный покров и особенно гумусовая оболочка суши и мелководий является общепланетарным аккумулятором и распределителем энергии, прошедшей через фотосинтез растений, и универсальным экраном, удерживающим в биосфере биофильные элементы...».
Теоретические представления о сложной системе взаимодействия всех компонентов в биосфере и биогеоценозе были заложены классическими работами Л.С. Берга [1931], Г.Ф. Морозова [1949], В.В. Докучаева [1954], В.И. Вернадского [1965], В.Н.Сукачева [1972], Ю. Одума [1986] и др.
Качественной и количественной характеристике миграции вещества в цепях биогеоценозов посвящены работы Н.П. Ремезова и др. [1959], Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич [1965], А.А. Титляновой [1977], Т.А. Работнова [1983] и др. Количественное изучение круговорота веществ и энергии в природных экосистемах позволило получить «стандарт скомпенсированных обменных процессов», выявить оценку их изменения.
Принципы описания биологического круговорота углерода Важнейшим циклом на нашей планете является цикл углерода, который встречается как в свободном виде (алмаз, графит), так и в связанном состоянии (углеродный газ, карбонаты, уголь, нефть, природный газ). Главным резервуаром биологически связанного углерода на континентах являются почвы, они содержат до 1500 млрд. т. этого элемента. Масса углерода, содержащегося в растительности, составляет 560 млрд. т. [Хаутон, Вудвелл, 1989].
Первые попытки определить размеры углеродного резервуара наземной биоты были сделаны в 20-х годах XX в., в частности В.И. Вернадским, но надежные оценки были получены только в 60-х годах [Родин, Базилевич, 1965; Bowen, 1978; Дювинью, Танг, 1968]. В обширной сводке Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич наземная биомасса оценивается в 2400 10 кг сухого органического вещества. Это скорее потенциальное значение, поскольку авторы пытались учесть изменения растительного покрова, связанные с вмешательством человека, предполагая, что в результате этого пострадало 10% лесных площадей. Оценки О.В. Добродеева и И.А. Суетовой [1976] (2600 -10 кг сухого органического вещества) также относятся к случаю так называемого ненарушенного или восстановленного растительного покрова.
Позднее, в конце 70-х - начале 80-х годов, специалистами Европы и США были сделаны новые оценки [Ajtay, Ketner, Duvigneaud, 1979; Brown, Lugo, 1980; Brown, Lugo, 1982; Brown, Lugo, 1984;]. Эти результаты достаточно хорошо согласуются между собой, и в общем они значительно ниже тех, которые были получены ранее. Этот факт в некоторых работах интерпретируется как уменьшение резервуара наземной биоты, обусловленное антропогенным воздействием.
Структура биологического цикла углерода исследовалась В.И. Вернадским [1965], Б.Б. Полыновым [1964], Н.П. Ремезовым [1958] и др. Многими учеными рассматривались фитомасса и ее прирост, а также запасы углерода в отдельных блоках различных биогеоценозов природных зон Земли [Родин, Базилевич, 1965; Дювинью, Танг, 1968; Гришина, 1986; Базилевич, 1993; и др.]. Балансовые модели обменных процессов ряда природных экосистем травяных, лесных, пустынных были построены А.А. Титляновой и Н.И. Базилевич [1976]. А.А. Титляновой и М. Тесаржовой [1991] был описан режим биологического круговорота, что послужило новым моментом в познании обменных процессов.
Схема цикла (круговорота) органического углерода показана на рисунке 1. Видно, что в биосфере растения, используя механизм фотосинтеза, выполняют одновременно функцию продуцента кислорода и потребителя углекислого газа. Хранители углерода - живая биомасса, гумус, осадочные известковые породы. Природные источники СОг - процессы разложения органического вещества, дыхания, окисления органического вещества в почве и других природных средах. Техногенный источник СОг уступает природным [Чупрова, 2005].
Растительность
Исследуемая территория по геоботаническому районированию отнесена к Минусинской котловине лесостепной провинции Южно Сибирской горно-таежной области. Все округа Минусинской провинции, за исключением Восточно-Кузнецкого-Алатауского, отнесены к подпровинции низкогорно-слабоувалисто-равнинного лесостепного днища котловины. Восточно-Кузнецко-Алатауский низкогорный мелколиственно светлохвойнолесной округ входит во вторую подпровинцию - низко- и среднегорную лесную горного обрамления котловины.
Распределение растительности на исследуемой территории, как и повсюду в горных областях, подчиняется закону вертикальной поясности. Растительный покров слабоувалисто-равнинной поверхности впадины принадлежит лесостепному поясу на высоте в среднем 300 - 400 м, а горного обрамления - лесному низкогорному 400 - 700 м. Растительный покров лесостепного пояса впадины и низкогорного лесного существенным образом различается. В лесостепном поясе основу покрова составляют остепненные мелколиственные леса (на месте остепненных светлохвойных) в сочетании со степями по склонам гряд (Назаровский округ) или на плакорной поверхности (Ужурский округ), а в низкогорном лесном - леса из мелколиственных, светло- и темнохвойных пород. Общая для обоих округов формация лесов из лиственницы сибирской (и производных от них березовых) дифференцируется по травостою на уровне групп ассоциаций. В лесостепном поясе преобладают богаторазнотравные сообщества березовой остепненной осоково-злаково-бобово-высокотравных групп ассоциаций, а в лесном низкогорном - лиственнично-березовой и лиственничной осоково-злаково-высокотравной и крупнотравной группы на южных и северных склонах соответственно.
В настоящее время в Назаровском округе коренной растительности почти нет. В коренном или близком к нему состоянии находятся отдельные участки луговых степей на южных склонах гряд, небольшие массивы сосновых боров по террасам р. Чулым и болотная растительность в поймах рек и озер. Последние массивы коренных лиственных лесов на выровненных водоразделах впадины были сведены в середине XIX в. О былом широком распространении в Назаровской впадине (главным образом в ее западной части) и на левобережье р. Урюп лесов из лиственницы с участием березы, свидетельствуют литературные данные [Куминова, 1950], материалы лесоустройства Красноярского управления лесного хозяйства, а также наличие небольших массивов березовых лесов с участием лиственницы и кое-где сохранившихся огромных пней лиственниц. До освоения светлохвойные леса с березой занимали обширные пространства впадины, кроме южных и юго-западных склонов гряд, на которых были распространены степи. В восточной части кроме лиственницы в составе древостоев принимала участие сосна, в настоящее время единично встречающаяся в березовых лесах.
Антропогенное воздействие значительно сгладило разницу в растительном покрове западной и восточной частей впадины. Тем не менее, выделенные в составе округа Западно-Назаровский и Восточно-Назаровский геоботанические районы имеют некоторые свои характерные особенности. Главные из них это большая залесенность Восточно-Назаровского района в сравнении с Западно-Назаровским, а также участие сосны в древостое лесов. Общей особенностью для современного растительного покрова обоих районов Назаровского округа, как, впрочем, и для лесостепных округов Минусинской котловины, является наличие на фоне преобладающих распаханных пространств отдельных массивов березово-осиновых лесов и остепненных лугов на месте сведенных остепненных светлохвойных лесов.
Коренная группа ассоциаций - березово-лиственничный осоково-злаково-бобово-высокотравный лес (лиственница сибирская, береза плосколистная) на инсолируемых склонах и выположенных поверхностях. Травостой хорошо развит, отличается четырехъярусной структурой и разнообразным видовым составом (около 50 и выше видов на площади 100 м2).
Встречаются на пологих склонах гряд и выровненных поверхностях лиственнично-березовые осоково-злаково-бобово-высокотравные леса, березовые с единичной лиственницей и с тем же травяным покровом, березовые осоково-злаково-разнотравные и, наконец, березовые разнотравно-пырейные леса - это последовательные стадии деградации лиственничных осоково-злаково-бобово-высокотравных лесов.
Характерны для исследуемой территории также луговые ковыльные степи, которые встречаются преимущественно на сравнительно более сухих южных и юго-западных склонах гряд на черноземах обыкновенных маломощных в Западно-Назаровском геоботаническом районе. Эдификатором этих степей является ковыль перистый. Значительное участие в травостое принимают также виды мезофильного разнотравья, бобовые и осока стоповидная. Местами сохранились участки луговых степей с коренной структурой и видовым составом.
Луга и кустарники на террасах самой большой реки округа - Чулыма встречаются в сочетании с участками мелколиственных лесов и сосновых боров на почвах легкого механического состава. Сосняки в этих борах мощные, I и II классов бонитета, возрастом 60 - 80 (до 90) лет, высотой 17 56 25 м, диаметром 30 - 40 см. Отдельные экземпляры сосны достигают диаметра 1 м. Состав древостоя обычно с участием березы и осины. Подлесок разнообразен: свидина белая, черемуха, калина, рябина, ива пепельная, боярышник. Подрост сосны в хорошем состоянии только на открытых участках. После сведения таких боров возобновление идет без смены пород. Коренной травостой - травяно-кустарничковый.
Леса региона длительное время подвергаются различным формам хозяйственной деятельности человека, в результате чего его современная лесистость в некоторых районах (особенно Назаровском) оказалась ниже ( 20%) пороговых величин с экологической точки зрения. По этим же причинам часть лесов, примерно 30%, находится в нестабильном состоянии. Выше лесистость Ужурского (21%) и Шарыповского районов (36%). Все леса Назаровской впадины и в настоящие время в большей или меньшей степени подвержены различным формам антропогенного воздействия.
Аккумуляция углерода в чистой первичной продукции
В продукционном звене годичного цикла создается чистая первичная продукция (NPP), которая обеспечивает протекание биологического круговорота. Чистая первичная продукция определяет вход углерода и свободной энергии в экосистему, не использованную растительностью в процессе дыхания. Ее величина показывает, какое количество органического вещества образуют автотрофы экосистемы на единицу площади за единицу времени и выражается в граммах (кг, т) сухого вещества или С на 1 м (га) в год. Чистая первичная продукция расходуется несколькими путями. В ряде случаев часть растительного вещества может накапливаться в экосистеме в виде фитомассы и мортмассы, часть перерабатывается в почвенное органическое вещество. В основном же NPP используется для поддержания жизнедеятельности гетеротрофов [Титлянова и др., 1993; 1996].
Аккумуляция углерода в приросте древостоя. Исследование динамики годичного прироста культур сосны в 1970 - 1980 гг. выявило закономерное увеличение его с возрастом (рис. 10). Закономерным является максимальный прирост на десятый год жизни, что соответствует литературным данным [Васильева, Ижевская, 1975; Каар, 1975; Данько, 1975]. В первые три года в посадках прирост в высоту сильно ограничен и составляет на контрольном участке почти половину среднего многолетнего, на рекультивируемых землях-2/3.
Исследованиями в Эстонской ССР на отвалах, образующихся при открытой разработке горючего сланца, установлено, что средний годичный прирост сосны в высоту на 6 - 8 году равен 40 - 50 см, на 9 - 10 году -50-60 см. Прирост культур сосны в лучших местах произрастания составляет на 6-8 году - 20 - 30 см, на 9 - 10 году - 30 - 40 см [Карр, 1975].
Среди основных лесообразующих пород первое место по энергии роста культур в высоту занимает береза (139 - 178 см), затем идет осина {76 - 134 см) и сосна (64 - 71 см). Наименьшее значение по высоте характерно для лиственницы и кедра (32 - 58 и 25 - 36 см) [Моделирование развития ..., 1984].
Годовое поглощение углерода с последующим закреплением в текущем приросте (NPP) древостоев в настоящий период составляет 2783 -6740 кг С га"1 год"1. Минимальной чистой первичной продукцией древостоев характеризуются культуры сосны на Сереженском гидроотвале - 2783 кг С га" год", максимальной культуры сосны на Восточном гидроотвале - 6740 кг С га"1 год"1. В текущем приросте культур сосны на Бестранспортном отвале и агросерых почвах закрепляется соответственно 3969 и 5495 кг С га" год"1 .
Проведенные ранее исследования в естественных сосняках региона показали, что годичная аккумуляция углерода составляет 5,96 т/га"1 органического вещества или 3998 кг С га"1 год"1 [Шугалей, Чупрова, 2003]. В искусственных лесных экосистемах основных лесообразующих пород Сибири в чистой первичной продукции депонировано 2600 - 4500 кг С га"1 год"1. Среди хвойных минимальной чистой первичной продукцией характеризуется ель - 2590, максимальной сосна - 4460 кг С га 1 год"1. В текущем приросте осины и березы закрепляется соответственно 4020 и 2770 кг С га"1 год"1 [Ведрова и др., 2000].
В формирующихся экосистемах основных лесообразующих видов Сибири на долю древесины ствола приходится 32 - 42% углерода NPP, хвоя составляет 22 - 28, листья у осины и березы - 30 - 34, ветви у хвойных видов - И - 16, у лиственных 19 - 28%. В корневые системы кедра, сосны, лиственницы и ели транслоцируется, соответственно, 24, 16, 17 и 30% годичной ассимиляции углерода фотосинтезирующими органами, у осины и березы - 28 и 31%. Доля тонких корней в общей продукции корней различается и составляет у кедра и ели 52 - 53%, у сосны 25, лиственницы 9, осины и березы 8% [Ведрова, 2005].
Структура первичной продукции в культурах сосны на отвалах существенно не отличается от материалов, приведенных другими авторами. Основная масса углерода (44 - 45%) приходится на прирост древесины ствола 1060 - 2620 кг С га"1 год"1. В хвое аккумулируется 600 - 1500 кг С га"1 год"1 или 26 - 27%, коре 230 - 560 кг С га" год"1 или 9 - 11%, ветвях 290 - 850 кг С га"1 год"1 или 9 - 16%, шишках 90 - 230 кг С га 1 год"1 или 2 - 4% (рис. И). В органическом веществе подземной фитомассы древостоев ежегодно аккумулируется 473 - 980 кг С га 1 год"1 или 17 - 15% в культурах сосны на Сереженском и Восточном гидроотвалах, 629 - 825 кг С га"1 год 1 или 16 15% на Бестранспортном отвале и агросерых почвах соответственно.
Половина углерода (%) аккумулированного напочвенным покровом приходится на подземный ярус. Сосняки Восточного гидроовала трансформировались в мертвопокровные, и вклад травяно-кустарничкового яруса здесь в продукцию невелик ( 3%), на остальных вариантах он составляет 17%, 20 и 11% соответственно в культурах сосны на Сереженском гидроотвале, Бестранспортном отвале и хр. Арга.
Таким образом, в текущем приросте культур сосны техногенных ландшафтов ежегодно закрепляется от 3352 кг С га"1 год"1 до 6940 кг С га"1 год"1 соответственно на Сереженском и Восточном гидроотвалах, на агросерых почвах хр. Арга чистая первичная продукция равна 6161 кг С га"1 год"1.
Оборот углерода, характеризующий период накопления его в фитомассе в 35-летних культурах сосны Восточного гидроотвала, составляет 13 лет, в 25-летних Сереженского - 8, в 21-летних Бестранспортного отвала -7, а в 34-летних на агросерых почвах хр. Арга - 10 лет. Скорость формирования углерода фитомассы находится в соответствии с удельной и составляет на Восточном гидроотвале 0,075 кг кг"1 год"1, Сереженском -0,126, Бестранспортном отвале 0,142, на агросерых почвах 0,102 кг кг"1 год 1. Наиболее высокая удельная скорость отмечена в экосистемах Бестранспортного отвала и Сереженского гидроотвала, что обусловлено, прежде всего, исходными ценотическими различиями формирующихся экосистем.
Максимальный надземный опад (1610 кг С га" год" ) отмечен в культурах сосны на Бестранспортном отвале, минимальный (920 кг С га" год" ) в культурах сосны на Сереженском гидроотвале. Ежегодный надземный опад в культурах сосны на агросерых почвах хр. Арга составляет 1330 кг С га" год" (табл. 12, см. приложение 9). Годичное отмирание корней - 550 -878 кг С га год". На отпад древесных корней приходится 36 - 83%, травянистых корней соответственно 17 - 64% от общего подземного отпада. С общим ежегодным опадом в культурах сосны на отвалах вскрышных пород поступает 1950 - 1470 - 2488 и 2106 кг С га"1 год"1 соответственно на Восточном гидроотвале, Сереженском гидроотвале, Бестранспортном отвале и на агросерых почвах хр. Арга.
Различия в объемах опада между фитоценозами обусловлены ритмом жизни древостоев сосны и особенностями формирования фитомассы в лесных экосистемах. Несмотря на то, что все исследованные экосистемы относятся ко II классу возраста, но сосняки Восточного гидроотвала и хр. Арга прошли уже половину своей жизни во II классе, а на Сереженском и Бестранспортном отвале только вступили в этот период. Установлено, что период жизни хвои 4-5 лет, таким образом, количество ее в опаде обусловлено как возрастом древостоев, так и периодом жизни хвои, кроме того, на количественный и качественный состав опада оказывает влияние период очищения древостоев от сучьев, участие в формировании потока опада травянистого яруса. Все культуры находятся в периоде перехода в мертвопокровную стадию, но наиболее ярко выражен этот переход в сосняках Восточного гидроотвала. Так, на надземный и подземный опад травянистого яруса здесь приходится всего 10%, в то время как на Сереженском гидроотвале 39%, Бестранспортном отвале 41, хр. Арга 32% общего количества.
Запасы и структура органического вещества инициальных почв
Накопление углерода органического вещества в инициальных почвах происходит постепенно и складывается из поступления его в почву за счет отмирающей естественной растительности, поселяющейся на отвалах в процессе их формирования, эрозионного приноса с окружающих естественных, высокопродуктивных ландшафтов и агроценозов, биологического круговорота на перманентно обновляющихся слоях смеси вскрышных пород в процессе формирования отвалов и в культурах сосны, созданных в посттехногенный период.
Основным источником накопления органического углерода в инициальных почвах является растительность. Основу пионерной растительности на отвалах и перманентно обновляющихся откосах составляют сорные виды, которые благодаря быстрому росту и большой энергии размножения хорошо приспособлены к перенесению неблагоприятных условий. Пионерные группировки на гидроотвалах представлены хвощами - луговым (Eguisetum arviuse) и зимующим (Е. hiemale), мятликом луговым (Роа pratensis), тмином обыкновенным (Garum carvi), овсяницей овечьей (Festula ovina) и др. На Бестранспортном отвале пионерные группировки состоят из пырея ползучего (Elytrigia repens), тимофеевки луговой (Phleum pratense), полевицы белой (Agrostis alba), матьи-мачехи обыкновенной (Tussilago Farfara), осота полевого (Sonhus arvensis), овсяницы овечьей (Festula ovina). Проективное покрытие 0,5 - 1,0%.
Культуры сосны на отвалах способствовали развитию травянистого яруса, и следующая стадия сингенеза напочвенного покрова наступила на 5 -6 год. В этот период образуются простые группировки с групповым стоянием донника белого (Melilotus albus), реже клевера лугового (Trifolium pratense), ромашки душистой (Matricaria matricariodes), горца птичьего (Poligonatum aviculare), мать-и-мачехи обыкновенной, осота полевого. Единично встречаются льнянка обыкновенная (Linaria vulgaris), клевер белый (Т. repens), клевер люпиновый (Т. Lupinaster), молочай волосистоосоковый (Euphorbia pilosa), репейничек волосистый (Agrimonia pilosa), герань ложносибирская (Geranium psendosibiricum), тысячелистник обыкновенный (Ashillea millefolium), горошек заборный (Vicia sepitum), полынь (Artemisia vulraris), осот полевой и др. Проективное покрытие субстрата 5 - 40%.
В последующие 3-5 лет роста культур сосны травянистый покров усложнялся, простые группировки заменялись сложными [Шугалей и др., 1996]. В настоящий период все культуры развиваются по типу мертвопокровных, на травянистый ярус приходится всего 1 - 3 % запасов фитомассы в экосистеме. Обогащение субстрата опадом растительного вещества способствовало развитию микро- и зооценозов, а следовательно, и развитию процессов гумусообразования. Так, если первоначально на технически спланированных отвалах микробоценозы были представлены случайными группировками микроорганизмов, то уже через 4-5 лет на первой и второй стадии сингенеза травянистой растительности численность микроорганизмов на инициальных почвах достигает уровня серых лесных почв (бактерии 1,2 - 1,5 мг/г, грибы 70 мг/г). К 10- 14-летнему возрасту культур сосны изменился не только количественный показатель: количество бактерий увеличилось в 2 раза, грибов в 100 раз, но изменилась и их структура. Подтверждением этому служат индексы разнообразия. Если в молодых (5 лет) инициальных почвах индекс разнообразия олиготрофных микроорганизмов составил 0,4, то в культурах сосны 10- 14-летнего возраста - 1,2, а индекс разнообразия евтрофных групп 1,0 и 2,0 соответственно [Напрасникова, 1984].
Одновременно с растительным покровом и микробоценозами формируются и педокомплексы. Пионерные формации представлены клещами и ногохвостками. К моменту посадки культур сосны группировки микроартропод на отвалах были малочисленны 0,4 - 6,9 тыс.экз./м , V = 118 - 293% и сосредоточены в слое 0 - 5 см. В культурах сосны 10-14 лет среднее количество микроартропод составляло 34,9 - 65,1 тыс.экз./м , при V = 208 - 224%. На агросерых почвах 37,8 тыс.экзУм , V = 164%. Плотность мезофауны в инициальных почвах под культурами сосны возросла до 30 1500 тыс.экз./м , V = 120 - 160%. Основная масса животных представлена стафилинами (Staphylinidae). По типу питания большинство (50 - 80%) обитателей на отвалах относится к зоофагам; доля фитофагов 10 - 16%, на сапрофитный комплекс приходится 2 - 28% [Дмитриенко, 1986]. Взаимодействие беспозвоночных и микроорганизмов ускоряет процессы трансформации опада растительного вещества, делает их более сложными и разносторонними.
Органическое вещество как климаксовых, так и инициальных почв гетерогенно по своему генезису и стадии трансформации. Гумусообразование включает разложение органических остатков, поступающих в почву и на ее поверхность в процессе биологического круговорота, их минерализацию и гумификацию, взаимодействие продуктов разложения с минеральным субстратом, минерализацию гумусовых веществ, миграцию и аккумуляцию органоминеральных соединений [Гришина, 1986].
Накопление углерода в эмбриоземах грубогумусово-аккумулятивных типичных (Восточный гидроотвал) имеет невысокую пространственную изменчивость. В эмбриоземах грубогумусово-аккумулятивных типичных (Сереженский гидроотвал) сравнительно высокие коэффициенты вариабельности содержания углерода отмечаются в горизонте СІ. В эмбриоземах грубогумусово-аккумулятивных выщелоченных глеевых (Бестранспортный отвал) пространственная изменчивость углерода высокая по всему профилю (табл. 18, см. приложение 10). За период формирования отвалов и произрастания культур сосны в инициальных почвах сформировались значительные запасы органического вещества. Максимальные 95,6 т/га"1 запасы углерода ОВ в слое 0 - 40 см отмечены под 35-летними культурами сосны на Восточном гидроотвале, затем следует Бестранспортный отвал 82,5, Сереженский гидроотвал 59,0 т/га 1. В 34-летних культурах сосны на агросерых почвах хр. Арга запасы органического углерода составляют 113,3 т/га" (табл. 19). Запасы гумуса на всех вариантах оцениваются как низкие [Орлов, 1981].
Основные различия между вариантами обусловлены запасами углерода в минеральной толще. Так, под культурами сосны на Восточном гидроотвале запасы углерода в минеральной части профиля составляют 80%, на Сереженском 88, Бестранспортном отвале 85, на агросерых почвах 90% общих запасов.
В лесной подстилке, представляющей собой органогенный горизонт инициальных почв, накапливающий отмирающую и опадающую фитомассу сосновых культур сосредоточено на Восточном гидроотвале 20%, Сереженском 12, Бестранспортном отвале 15, в агросерых почвах 10% общих запасов углерода в почвах. На корневую мортмассу минерального слоя приходится 2-6% общих запасов углерода в исследованной толще.
Легкоминерализуемое органическое вещество (ЛМОВ) инициальных почв техногенных ландшафтов и агросерых почв под культурами сосны, так же как и почв под естественными лесными экосистемами представлено в основном органогенным горизонтом (подстилкой) и корневым детритом минеральной толщи почвы (табл.. 19).
Исходя из кинетики гумификации, ЛМОВ подразделяется на ЛОВ и ПОВ. Скорость биохимических реакций очень сильно зависит от условий среды, качественного состава и концентрации реагирующих компонентов, температуры, влажности, реакции почвенного раствора. Лабильные формы ОВ представляют собой органические остатки, постепенно переходящие под воздействием педобионтов и микробоценозов в подвижные формы или на длительный период частично консервируются в органогенном горизонте на поверхности и в толще почвы [Александрова, 1980; Орлов, 1985].
