Создание и изучение культурфитоценозов на нарушенных промышленностью землях

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

СОЗДАНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ
КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ
НА НАРУШЕННЫХ
ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ
ЗЕМЛЯХ

Учебное пособие

Рекомендовано
методическим советом Уральского федерального университета
в качестве учебного пособия для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки 06.03.01, 06.04.01 «Биология»,
05.03.06, 05.04.06 «Экология и природопользование»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК  502.13(075.8)
ББК  20.18я73-1
         C585

В учебном пособии рассматривается важная экологическая проблема современности –
создание и изучение культурфитоценозов на нарушенных промышленностью землях. Даются 
практические рекомендации для создания и сохранения длительной продуктивности 
посевов многолетних трав, а также посадок. Рекомендации имеют большое значение
для разработки основ биологической рекультивации нарушенных территорий.
Для студентов, магистрантов и аспирантов биологической и экологической специальностей, 
а также широкого круга биологов, экологов и специалистов по биологической
рекультивации.

Создание и изучение культурфитоценозов на нарушенных промышленностью 
землях : учеб. пособие / [Т. С. Чибрик, М. А. Глазырина, Е. И. Филимонова, 
Н. В. Лукина] ; [науч. ред. Т. А. Радченко] ; М-во науки и высш.
образования Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во
Урал. ун-та, 2019. – 146 с.
ISBN 978-5-7996-2548-1

C585

ISBN 978-5-7996-2548-1

УДК  502.13(075.8)
ББК  20.18я73-1

© Уральский федеральный университет, 2019

А в т о р ы:
Т. С. Чибрик, М. А. Глазырина, Е. И. Филимонова, Н. В. Лукина

Н а у ч н ы й   р е д а к т о р
Т. А. Радченко

Р е ц е н з е н т ы:
лаборатория экологии техногенных растительных сообществ
Ботанического сада УрО РАН
(заведующий лабораторией доктор сельскохозяйственных наук С. Л. Менщиков);
Ю. Е. Михайлов, доктор биологических наук,
заведующий кафедрой экологии, природопользования и защиты леса
Уральского государственного лесотехнического университета

На обложке:
культурфитоценоз на золоотвале Верхнетагильской ГРЭС

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ........................................................................................................ 4

Введение ............................................................................................................. 6

Глава 1. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И ЗАДАЧИ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЛОГИИ ..... 8

Глава 2. ВЗГЛЯДЫ УЧЕНЫХ НА КУЛЬТУРНЫЕ СООБЩЕСТВА ........................ 13

Глава 3. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ
НА ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТАХ ........................................................................ 18

Глава 4. ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ
ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗЕМЕЛЬ,
НАРУШЕННЫХ ДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ УРАЛА ..................... 32

Глава 5. ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ
ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗЕМЕЛЬ,
НАРУШЕННЫХ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ УРАЛА ........ 115

Список библиографических ссылок .................................................................... 137

Список рекомендуемой литературы ...................................................................... 143

Приложение. Структура самостоятельной работы ................................................. 144

ПРЕДИСЛОВИЕ

Урал – старый промышленный регион, где добыча и переработка полезных
ископаемых ведется более 100 лет. Нарушенных площадей только в Свердлов-
ской области свыше 65 тыс. га. Они резко отличаются по характеру рельефа,
морфологическим параметрам, таким как площадь, высота, глубина и т. д. Чрез-
вычайно разнообразны состав и свойства пород (субстратов), слагающих эти
территории. Зачастую формирование фитоценозов идет на породах разного гео-
логического возраста, извлеченных с больших глубин (до 500 м), т. е. они харак-
теризуются большим разнообразием и пространственной гетерогенностью эко-
топов, особенно эдафотопов.
В Уральском государственном университете им. А. М. Горького более 55 лет
проводились исследования по биологической рекультивации нарушенных про-
мышленностью земель. Актуальность проблемы не снижается и сегодня. В на-
стоящее время эти исследования продолжаются сотрудниками лаборатории
антропогенной динамики экосистем в составе отдела биологических исследова-
ний Научно-исследовательского института физики и прикладной математики
Института естественных наук и математики УрФУ.
Техническая подготовка поверхности техногенных объектов (технический
этап рекультивации) делает биологическую рекультивацию возможной, но не лик-
видирует все неблагоприятные эдафические условия этих своеобразных экото-
пов. Преодоление или сведение к минимуму таких условий может вестись в двух
направлениях: за счет улучшения свойств субстрата (водно-физических, агро-
химических и др.) и подбора подходящего для этих условий ассортимента видов.
Мероприятия биологического этапа рекультивации на Урале, как правило, сво-
дятся к посеву многолетних трав и посадке деревьев и кустарников. При этом
важен экспериментальный подбор ассортимента видов, устойчивых к комплек-
су неблагоприятных эдафических условий, обладающих высокой экологической
пластичностью и адаптационными способностями. Поэтому в комплексных
исследованиях традиционно уделяется большое внимание характеристике фло-
ристического состава формирующихся в техногенных ландшафтах фитоценозов
и слагающих их видов.
При исследованиях была реализована комплексная программа по всесторон-
нему изучению искусственных фитоценозов техногенных ландшафтов, которая
включала изучение динамики и структуры культурфитоценозов, их продуктив-
ности, структуры и жизненности ценопопуляций культивируемых видов. Подробно
изучался флористический состав, биоэкологическая характеристика видов, хи-
мический состав растений, микотрофность видов. В настоящем учебном пособии

впервые представлен и проанализирован опыт биологической рекультивации
нарушенных промышленностью земель Урала на фитоценотическом и ценопо-
пуляционном уровнях с учетом временной трансформации созданных культур-
фитоценозов и качества фитомассы.
Учебное пособие посвящено важной экологической проблеме современнос-
ти – созданию и изучению культурфитоценозов на нарушенных промышлен-
ностью землях. В нем даются практические рекомендации для создания и сохра-
нения длительной продуктивности посевов многолетних трав, а также посадок.
Данные рекомендации имеют большое значение для разработки основ биологи-
ческой рекультивации нарушенных территорий.
Учебное пособие поможет в освоении дисциплины «Культурфитоценоло-
гия с основами биологической рекультивации» по программам бакалавриата
и магистратуры.

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация темпов разработки полезных ископаемых, деятельности
перерабатывающей промышленности, промышленного и гражданского строи-
тельства и т. д. сопровождается усилением эксплуатации природных ресурсов,
что ведет к увеличению отрицательного влияния промышленности на природ-
ные ландшафты, нарушению ценных сельскохозяйственных и лесных угодий.
Особенно большие нарушения происходят при открытых разработках полезных
ископаемых – угля, руд черных и цветных металлов и др. В настоящее время
распространенность техногенных ландшафтов позволяет говорить о замене ими
в ряде регионов природных систем. Процессы естественного восстановления на-
рушенных территорий замедлены. Участие органического вещества в общей массе
техногенных образований (неоэкотопов) ничтожно. Присущие им растительные
сообщества весьма изменчивы и часто случайны по составу видов, примитивны
по структуре и малоустойчивы, поэтому человек вынужден принимать меры
по ускорению их регенерации или целенаправленному формированию продуктив-
ных искусственных растительных сообществ (культурфитоценозов). Искусствен-
ные фитоценозы создаются человеком по заранее намеченному плану, являются
продуктом его труда и могут существовать только при условии заботы о них.
Культурфитоценозы на нарушенных промышленностью землях создаются
в процессе биологической рекультивации. В зависимости от условий выбирается
направление рекультивации: сельскохозяйственное, лесохозяйственное, природо-
охранное, санитарно-гигиеническое и др.
Биологическую рекультивацию сельскохозяйственного направления прово-
дят преимущественно на отвалах, поверхность которых сформирована потенци-
ально плодородными породами или покрыта почвой. В этом случае при соответ-
ствующей агротехнике создают типичные агробиоценозы, а рекультивированные
земли переводятся в общий баланс сельхозугодий. Состояние их и продуктивность
полностью зависят от регуляторной деятельности человека. Частным случаем
сельскохозяйственной рекультивации является создание коллективных садов и ого-
родов на малопригодных породах при наличии достаточного количества органи-
ческих и минеральных удобрений. Разновидностью сельскохозяйственной ре-
культивации можно считать создание сенокосно-пастбищных угодий длитель-
ного пользования.
Нарушенные промышленностью земли, не пригодные для сельскохозяйствен-
ного производства, например, в связи с повышенным содержанием в них тяжелых
металлов и т. д., должны восстанавливаться в лесохозяйственном направлении.
Целью лесохозяйственного направления биологической рекультивации является
создание на отвалах высокопродуктивных устойчивых лесных биогеоценозов,

обладающих положительным средопреобразующим воздействием и имеющих
мелиоративное, санитарно-гигиеническое и рекреационное назначение [1]. Виды
и методы лесной рекультивации определяются зональными и локальными эколо-
гическими условиями района промышленных разработок [2; 3, с. 78].
При проведении рекультивации нарушенных территорий на Урале, где со-
средоточены значительные площади старых отвалов и карьеров, остро стоит про-
блема дефицита плодородного слоя почвы и потенциально плодородного грунта.
Для того чтобы в короткое время ограничить загрязняющее воздействие выне-
сенных на поверхность горных пород, а при более благоприятных эдафических
условиях – восстановить хозяйственную ценность нарушенных территорий,
для каждого предприятия производят индивидуальный подбор видов растений-
мелиорантов. Для этой цели используются растения, устойчивые к условиям не-
обычной для них среды и способные образовывать высокопродуктивные сообще-
ства, которые, являясь одним из существенных структурных компонентов ланд-
шафта, выполняли бы одновременно почвозащитную, культурно-эстетическую
и санитарно-гигиеническую функции.
На Урале работы по рекультивации нарушенных промышленностью земель
были начаты в 1959–1961 гг., они проводились под руководством В. В. Тарчев-
ского в лаборатории промышленной ботаники Уральского государственного
университета (ныне – лаборатория антропогенной динамики экосистем УрФУ).
На всех типах изученных отвалов на базе стационарных опытных посевов и по-
садок сотрудниками лаборатории были получены положительные результаты
по их биологической рекультивации, разработаны необходимые рекомендации.
Рекомендации лаборатории применялись при биологической рекультивации око-
ло 2 тыс. га нарушенных промышленностью земель. Научные труды сотрудни-
ков лаборатории использовались при составлении ряда нормативных документов.
Рекомендации лаборатории были неоднократно представлены на ВДНХ СССР.
Научные издания сотрудников, в том числе 14 тематических сборинков статей,
монографии и т. д., хорошо известны широкому кругу специалистов в России
и за рубежом. Коллектив лаборатории на протяжении многих лет принимает учас-
тие в подготовке высококвалифицированных специалистов, успешно работаю-
щих в области охраны природы и рекультивации.
Созданная в первые годы работы лаборатории методика фитомелиорации
отвалов перерабатывающей промышленности (с модификациями) была принята
и для биологической рекультивации породных отвалов горнодобывающей про-
мышленности.
Созданию и изучению дендроценозов на золоотвалах Урала посвещены рабо-
ты сотрудников лаборатории экологии техногенных растительных сообществ Бо-
танического сада УрО РАН (ранее – Институт леса УрО РАН). Сотрудниками
лаборатории экспериментально опробован большой ассортимет деревьев и кус-
тарников (35 видов), дана характеристика и оценка пригодности данных видов
древесных пород для лесовосстановления на золоотвалах лесной зоны.

Глава  1
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
И ЗАДАЧИ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЛОГИИ

Культурфитоценология – учение о целенаправленно регулируемых естест-
венных и искусственно создаваемых сообществах различных типов раститель-
ности (лесных, луговых, полевых, водных и др.). Культурфитоценология, как
отрасль фитоценологии, занимается изучением культурфитоценозов (КФ).
Культурфитоценоз (от лат. cultura – «возделывание, воспитание» и от греч.
ó – «растение» и  ó– «общий») – сообщество культивируемых расте-
ний, обладающее многими особенностями естественного фитоценоза, но фор-
мируемое в результате деятельности человека.
Термин «культурфитоценоз» предложил советский лесовед Ю. П. Бялло-
вич. Под КФ он понимал «определенную культуру, рассматриваемую как сово-
купность растений, характеризующуюся определенными взаимоотношения-
ми между растениями и между растениями и средой, возникающими в ре-
зультате наложений реакций ландшафта и борьбы за существование на комплекс
целенаправленных растениеводческих мероприятий» [4, с. 21].
Предпосылки к оформлению культурфитоценологии складывались в поле-
водстве, лесоводстве, парковом строительстве, луговодстве. Еще в начале XX в.
русским почвоведом, лесоведом, геоботаником и географом Г. Н. Высоцким
в труде «Ергеня» [5] были высказаны культурфитоценологические идеи. Г. Н. Высоцкий 
указывал на необходимость подбора компонентов в искусственно создаваемых 
насаждениях (в садах, парках) из соответствующих по экологии и биологии
видов растений и дал описание наблюдаемых смен растительности на залежах.
Известный русский и польский ботаник И. К. Пачоский [6] рекомендовал
для более полного использования производительных сил земли вводить в сады
и парки элементы природных ландшафтов, а при выращивании полевых культур 
использовать хотя бы по две расы культивируемого вида растения, различающиеся 
между собой по каким-либо признакам, например, по высоте стебля и т. п.
КФ могут быть: 1) возделываемые (поля, плантации, лесные питомники
и др.); 2) создаваемые человеком (полезащитные полосы, лесосеменные плантации 
и др.); 3) преобразованные и управляемые человеком (лесосады, лесонасаждения 
с постоянным применением рубок ухода и пр.).
Продолжительность существования КФ определяется жизненной формой видов 
культивируемых растений и характером воздействия человека. По продолжительности 
существования различают КФ [7, с. 199]:
1) кратковременные (1–3 года: поля, огороды, клумбы и т. д.);

2) длительные (8–10 лет: сеяные луга);
3) постоянные (существующие десятки и сотни лет: плодовые сады, городские 
парки, полезащитные лесные полосы, лесные массивы). Постоянные КФ
по ряду признаков стоят ближе к фитоценозам естественным.
К задачам изучения КФ относятся:
– выявление закономерностей распределения КФ и их типов;
– определение флористического состава, строения и динамики целенаправленно 
регулируемых естественных и искусственно создаваемых сообществ различных 
типов растительности (лесных, луговых, полевых, водных и др.);
– исследование взаимосвязей между произрастающими в КФ видами растений 
и между ними и средой;
– установление взаимосвязей между КФ и между ними и средой;
– классификация искусственных фитоценозов;
– разработка научной теории создания наиболее эффективных культивируемых 
сообществ в целях наиболее рационального использования территорий
для получения наибольшей продукции или иного полезного эффекта.
От культивируемой растительности человек получает основное продовольствие, 
сырье для легкой и строительной промышленности и т. п. Кроме того, КФ
в жизни человека имеют большое эстетическое и оздоровительное значение [8].
Научное обоснование для создания наиболее рациональных структур КФ
позволит эффективно использовать каждый участок земли для получения наибольшей 
продукции или иного полезного эффекта.
К КФ относятся также агрофитоценозы, агростепи, агропустыни, сообщества 
садов и виноградников, садово-парковые комплексы и т. д.
Агрофитоценоз (от греч. agros – «поле» и фитоценоз) – это однородный
участок сельскохозяйственного землепользования, занятый сменяющими друг
друга по годам культурными растениями, вид, сорт и очередность выращивания 
которых определяется типом севооборота. В рамках единого севооборота
разные сельскохозяйственные культуры, воздействуя на почву, обогащая ее специфическими 
органическими веществами, создают определенный тип экологической 
среды, свойственный данному севообороту, и определенный набор сорных 
растений-спутников (сегетальные сорные виды, связанные с почвой банками 
семян и банками вегетативных зачатков) [7, с. 7]. Высеваемые человеком
культурные растения являются доминантами, т. е. эдификаторами создаваемого
агрофитоценоза (АФ), остальные его компоненты входят в состав АФ независимо 
от желания человека и часто вопреки этому желанию [9].
Агрофитоценология является основным разделом культурфитоценологии.
Агрофитоценология (от греч. agros – «поле», koinos – «общий» и logos – «учение») – 
учение о полевых группировках растений, составляющих в совокупности
полевую культивируемую растительность. Основные эмпирические положения 
данной науки формировались с начала эпохи земледелия, но как теоретическая 
база агрономии агрофитоценология сложилась в XX в. [8].

Значительный вклад в агрофитоценологию на разных этапах ее развития
внесли советские, российские и украинские ученые: М. В. Марков, А. А. Часовенная, 
Н. С. Камышев, А. М. Гродзинский, В. В. Туганаев, Б. М. Миркин,
Ю. А. Злобин и др.
Ю. А. Злобиным [10, с. 4, 5] были сформулированы следующие задачи агро-
фитоценологии:
1) изучение структуры автотрофного блока культурных растений для основных 
типов АФ с разработкой научно обоснованных рекомендаций по оптимизации 
этой структуры для максимального использования солнечной радиации и уг-
лекислого газа воздуха с получением урожая заданного количества и качества;
2) исследование механизмов функционирования АФ с целью нахождения
способов повышения их автономности и устойчивости, полного удовлетворе-
ния всех потребностей сельскохозяйственных растений в условиях интенсивных
технологий их выращивания;
3) изучение абиотических и биотических факторов, влияющих на продук-
тивность и жизненное состояние особей культурных растений для оптимиза-
ции природной среды в АФ и определение наиболее благоприятных отношений
между культурными, сорными растениями и различными группами фитофагов
и консументов (организмов, вызывающих болезни растений или участвующих
в образовании и переработке гумуса);
4) изыскание способов снижения размеров вносимой в АФ антропогенной
энергии при сохранении и полном воспроизводстве природных ресурсов;
5) изучение сегетальной растительности в пределах АФ, ее классификация
и использование для индикации условий экотопа.
АФ – это высокоспецифические биологические системы. Они имеют сле-
дующие отличия от других экосистем [10, с. 6–8]:
I. АФ кроме солнечной радиации (основного источника энергии) пользуются
антропогенной энергией, которая объединяет в себе все формы энергетичес-
ких затрат, вносимые в посев человеком: 1) энергию, затрачиваемую на пере-
мещение почвы (вспашка, культивация и т. д.); 2) связанную энергию органичес-
ких удобрений; 3) энергию, идущую на производство минеральных удобрений,
и т. п. По подсчетам А. А. Титляновой с соавторами [11], антропогенная энергия
в АФ составляет 5–10 % от общего ее количества.
II. Для АФ характерно значительное отчуждение органического вещества
и связанной солнечной энергии при уборке урожая. В зависимости от вида сель-
скохозяйственной культуры оно может достигать 50–70 % от общей продукции
и энергетических запасов АФ.
III. Посевы – это фитоценотические системы, срок существования которых
заведомо ограничен.
IV. АФ свойственна однородность автотрофного блока (компоненты слабо
дифференцированы по экологическим нишам): 1) состоит из растений одного