ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Сметана Олексій Миколайович
УДК: 574.4
АНТРОПОГЕННА ТРАНСФОРМАЦІЯ
БІОГЕОЦЕНОЗІВ КРИВБАСУ
(біоіндикація, відновлення, управління)
03.00.16 – екологія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Дніпропетровськ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Криворізькому ботанічному саду НАН України та в Академії митної служби України
Науковий керівник: доктор біологічних наук,
старший науковий співробітник
БІЛОВА Наталія Анатоліївна
Академія митної служби України,
кафедра товарознавства та митної експертизи,
начальник
Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, доцент
ЗВЄРКОВСЬКИЙ Василь Миколайович
Дніпропетровський національний університет,
кафедра геоботаніки ґрунтознавства та екології,
професор
кандидат біологічних наук,
ЦАЙТЛЕР Мирон Йосипович
Дрогобицький державний педагогічний
університет ім. І. Франка, кафедра біології,
доцент
Провідна установа: Національний ботанічний сад ім. М.М. Гришка НАН України, м. Київ
Захист відбудеться “23” квітня 2003 року о 10:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.04 для захисту дисертації на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.
З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Дніпропетровського національного університету.
Автореферат розісланий “22” березня 2003 року.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат біологічних наук, доцент Дубина А.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. В екологічних дослідженнях Криворізького залізорудного басейну – регіону з надзвичайно високим різноякісним антропогенним впливом – досі недостатньо розглядались питання біогеоценогенезу. Мало вивчена індикаторна роль наземної мезофауни – функціонально активної ланки – в еталонних, антропогенно-трансформованих і техногенних біогеоценозах.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота, яка безпосередньо пов’язана з плановими дослідженнями за бюджетними темами “Розробка наукових основ теорії й технології біологічної рекультивації порушених промисловістю земель Кривбасу з використанням автоматизованої системи наукових досліджень” (№ держреєстрації 0193U017898, інвентарний № 0298V002005 – 1993-1997 рр.) та “Антропогенні зміни біогеоценотичного покриву в підзоні північних степів у межах Криворізького залізорудного басейну” (№ держреєстрації 0198V002071 – 1998-2002 рр.), виконана у відділі оптимізації техногенних ландшафтів Криворізького ботанічного саду НАН України та в лабораторіях Академії митної служби України.
Мета та задачі досліджень Метою роботи було виявлення антропогенних змін провідних компонентів біогеоценозів, процесів ґрунтоутворення, показників структурної організації комплексів наземної мезофауни з метою індикації напрямків біогеоценогенезу, рівня антропогенної трансформації біогеоценозів та екологічного стану довкілля Криворіжжя.
Задачі досліджень:
1.
Виявити специфіку біогеоценотичної організації рослинності при антропогенному навантаженні різного ступеня.
2.
Проаналізувати відміну генезису ґрунтів на мікрорівні в природних, антропогенних та техногенних біогеоценозах Криворіжжя.
3.
Проаналізувати структурну організацію комплексів наземної мезофауни природних, антропогенних та техногенних біогеоценозів Криворіжжя.
4.
Провести дослідження найважливіших процесів ґрунтоутворення в основних типах біогеоценозів Криворіжжя та виявити індикатори елементарних ґрунтових процесів.
5.
Виявити особливості розвитку (біогеоценогенезу) та просторову диференціацію біогеоценотичного покриву Криворіжжя.
Об’єкти дослідження – природні, антропогенні та техногенні біогеоценози Кривбасу.
Предмет дослідження – структурна організація угруповань рослинного покриву, наземної мезофауни, склад, макро- та мікроморфологічна будова ґрунтів біогеоценозів регіону дослідження.
Наукова новизна. Вперше для Криворізького залізорудного басейна проведено порівняльний аналіз структурної організації основних компонентів порушених біогеоценозів підзон різнотравно-ковилово-типчакових та ковилово-типчакових степів степової зони України. Розроблені методичні підходи до аналізу зооценотичних даних та запропоновано модифікацію індекса Сімпсона для оцінки екологічної місткості екотопу. Проведено зооіндикацію елементарних ґрунтових процесів в основних типах біогеоценозів Криворіжжя. Розглянуто закономірності біогеоценогенезу регіону. Запропоновано шляхи відновлення, охорони та раціонального використання біогеоценозів Кривбасу. Виявлено факт наявності технолесіважу.
Практичне значення. Матеріали роботи використовуються екологічним відділом Криворізького міськвиконкому у виконанні еколого-економічного експерименту в гірничо-металургійному комплексі України. Методичні підходи до індикації стану довкілля рекомендовані Криворізькою регіональною екологічною інспекцією для використання у моніторинзі стану довкілля. Матеріали дисертації увійшли до курсу “Зоологія безхребетних” природничого факультету Криворізького державного педагогічного університету.
Особистий внесок здобувача. Робота є самостійним завершеним дослідженням здобувача, яким у 1996-2002 рр. проведені комплексні біогеоценотичні дослідження, зокрема описано склад ґрунтового покриву (82 ключових розрізи, в яких відібрані зразки для визначення вмісту, групового складу гумусу та мікроморфологічного аналізу ґрунтів). Виконано 2435 повних геоботанічних описів, аналіз яких дозволив отримати дані зі структурної організації степових та трансформованих рослинних угруповань. Зібрано 2754 проби наземної мезофауни на 62 ділянках, складено фауністичний список, проведено аналіз морфо-екологічної та трофічної структури комплексів мезофауни. Підбір методик, всю обробку матеріалів виконано особисто автором. У роботі “Структурна організація угруповань мезофауни як показник природно та антропогенно зумовлених змін в екосистемах” // Вопросы биоиндикации и охраны природы. – Запорожье: ЗГУ, 1997. – С. 171-174 (Співавтори Сметана Н.М. та Резниченко Т.И.), дисертантом проведено визначення та обробку матеріалів. Загальний внесок в роботу становить 30%. У роботі “Рост и развитие сосны крымской на железорудных отвалах Кривбасса” // Интродукция и акклиматизация растений: Межведомств. сборн. научн. трудов. Киев, 1999.– Вып. 32. – С. 140-149. (Співавтори Сметана Н.Г. та Мазур А.Е.) дисертант брав участь у зборі матеріалу та його математичній обробці. Загальний внесок становить 30%. Права співавторів колективних публікацій не порушені.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені на міжнародних нарадах “Биологическая рекультивация нарушенных земель” (Екатеринбург, 1996-1997 г.); “Вопросы биоиндикации и охраны природы” (Запорожье, 1997 г.); міжнародних конференціях “Проблемы дендрологии, цветоводства и плодоводства” (Ялта, 1996-1998 гг.); “Еколого- біологічні дослідження на природних та антропогенно-змінених територіях” (Кривий Ріг, 2002 р.); “Проблемы фундаментальной экологии” (Кривой Рог, 1998 г.); Ломоносовських читаннях “Ломоносов-2001” (Москва, 2001 г.); матеріалах конференцій “Экологические аспекты загрязнения окружающей среды” (Киев, 1996 г.); “Екологічна безпека” (Львів, 1996 р.); “Питання біоіндикації і екології” (Запоріжжя, 1998 р.); “Охорона довкілля: екологічні, освітянські, медичні аспекти” (Кривий Ріг, 1997, 1998 р.) та інших.
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 32 наукова робота, серед яких 8 – у наукових журналах та збірниках наукових праць (5 – статті у виданнях ВАК України), 24 – у матеріалах і тезах конференцій.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку використаної літератури (324 найменування) та 5 додатків, в яких наведено розподіл чисельності безхребетних за таксономічними групами; індикаторні блоки та опис до них; спектри морфо-екологічної та трофічної структури; фауністичний список. Матеріал дисертації представлено на 420 сторінках, з яких текстова частина становить 150 сторінок. Матеріал проілюстровано 76 таблицями та 25 рисунками.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Генезис біогеоценозів Криворіжжя становить значний інтерес через потужне антропогенне втручання у природний розвиток екосистем регіону аж до корінної зміни їх функціонування. Структура наземної мезофауни характеризує зміни у біогеоценозах (БГЦ), зокрема мезофауністичні комплекси взаємопов’язані з елементарними ґрунтовими процесами (ЕГП).
ЕКОЛОГО-ГЕОГРАФІЧНИЙ НАРИС РАЙОНУ ДОСЛІДЖЕНЬ
У розділі 1 подані відомості про еколого-географічні особливості району досліджень.
ОГЛЯД НАУКОВОЇ ЛІТЕРАТУРИ
Вивченню рослинного покриву Криворізького залізорудного басейну до початку промислової розробки родовищ присвячені роботи Й.К. Пачоського (1917), М.І. Котова (1937) та інших. Систематичні геоботанічні дослідження були розпочаті І.А. Добро-вольським (1979), який провів типологію залізорудних відвалів центральної частини м. Кривого Рогу, базуючись на ідеях О.Л. Бельгарда, надав еколого-біологічні основи оптимізації техногенних ландшафтів шляхом озеленення та залісення (Добровольский, 1979, 1982). Є.Д. Ющук (1982, 1997), розглядаючи ґрунти як компонент біогеоценозу, виявив зміни їх властивостей під деревною рослинністю в умовах техноценогенезу, запропонував шляхи оптимізації лісових едафотопів в умовах промислового забруднення. В останні роки біогеоценотична роль рослинності порушених земель Кривбасу розглядалась в роботах екологів Криворіжжя (Шанда, 1990, 1996; Мазур, Сметана М.Г., 1996; Маленко, 2001 та інш.). На підставі критерієв запропонованних Т.Л. Андрієнко (1990, 1991) на території Криворіжжя запропоновано виділення заказника “Балка Кобильня”.
ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Об’єктами досліджень були біогеоценози Криворіжжя: природні – ключова ділянка “Степи”; антропогенні – ділянки “Агробіогеоценози”та “Штучні ліси”; техногенні – “Відвали”, “Старі відвали”, “Кар’єр”, “Проммайданчик” та “Шламосховище”. Пробні ділянки закладено з урахуванням ступеня антропогенної трансформації та екологічного стану.
Пробні ділянки описано за схемою: геоморфологічна будова, тип зволоження (Травлєєв Л.П., 1980), склад ґрунтотворних порід та літологічна основа, геоботанічна характеристика (Полевая геоботаника, 1972), ґрунтовий покрив (Практикум по почвоведению, 1986; Агрохимические методы, 1983), тип БГЦ за характером речовинних потоків (Сукачев, 1964), характер антропогенного впливу і ступінь трансформації екосистеми та бал екологічного стану (Сметана М.Г., 1996), розподіл площ забруднення розраховано за програмою Еол +. Складні та суперечливі питання генезису ґрунтів вирішені за допомогою мікроморфологічних методів (Парфенова, Ярилова, 1977, Белова, 1999). Розшифровка ґрунтових мікрошліфів проведена з безпосередньою участю д.б.н., проф. Біловой Н.А. Кількісний облік мезофауни проведений за допомогою модифікованих пасток Барбера (Фасулатти, 1974). У розділі проведено огляд індексів біорізноманіття.
Структурованість угруповань наземної мезофауни вивчено за допомогою функціонала Сімпсона (Ємельянов, Брагінський, Міхалевіч, 2001) та показника кількості таксонів, які складають комплекс. Екологічна місткість екотопу визначена за модифікованим індексом Сімпсона. Подальшу математичну обробку та смислову інтерпретацію даних проведено з використанням інформаційно-логічного аналізу (Количественные методы … /под ред. М.С. Гилярова, 1987), який дозволяє досліджувати сполученість між властивостями об’єкту та середовища, коли апріорна інформація про характер розподілів та особливості можливих зв’язків відсутня, а самі ознаки можуть бути описані будь-якими способами. За допомогою ітерацій та транспортування з кореляційних матриць інформаційно-логічного аналізу отримано індикаторні блоки.
ФІТОЦЕНОЗИ ЯК КОМПОНЕНТ БІОГЕОЦЕНОЗІВ КРИВОРІЖЖЯ
Для степових угруповань притаманне переважання підземної маси над надземною; слабка склеротизація стебел трав; великі річні флуктуації біомаси; невелика вертикальна ярусність із переважним зосередженням біомаси біля ґрунту та в його верхніх горизонтах. Цим фітоценозам властиве явне домінування аеропедофітів (рослин, які потребують для свого існування ґрунту та повітряного середовища); видів, які належать до ксерофітної групи; трав’янистих полікарпиків, що мають каудексові утворення; гемікриптофітів; видів степового флороценотипу при значній участі лучних та синантропних (сегетальних та рудеральних); палеарктичних та причорноморських видів. Специфіка екологічних умов конкретних ділянок зумовлює зміни у співвідношенні різних елементів флористичної структури.
В угрупованнях лісосмуг виявлена невелика частка монокарпиків. Їм притаманна висока участь видів лісових й синантропного флороценотипів зі значною часткою у складі останнього культигенного флороценоелементу. Основу фітоценозів складають види з широким ареалом поширення.
В агроценозах рослинні угруповання включають невелику кількість видів; переважають однорічники та малорічники; види, які належать до синантропного флороценоелементу; види з широким ареалом поширення. Основу географічного спектру рослинних угруповань агроценозів складають види плюрирегіонального, палеарктичного і голарктичного географічних елементів. Рослинності порушених земель притаманні такі риси: 1) велика варіабельність рослинного покриву у межах кожного типу порушенних земель; 2) значна відмінність між різними типами. Структура рослинності техногенних біогеоценозів детермінована змінами зволоження та трансформацією ґрунтового покриву.
ҐРУНТИ ЯК КОМПОНЕНТ БІОГЕОЦЕНОЗІВ КРИВОРІЖЖЯ
Степовим балковим системам притаманна велика різноманітність ґрунтів. Домінуючими є антропогенні модифікації, які мають суттєві відмінності від вихідних: зменшений вміст та запас гумусу, в груповому складі зменшується частка нерозчинного залишку та фракції вільних і зв’язаних з R2O3 гумінових кислот у певних шарах. Запаси гумусу в деградованих ґрунтах схилу зменшуються майже вдвічі. У степових ґрунтах виявлені: агрегатоутворення, карбонатизація, гіпергенез корінних порід, нагромадження гумусу типа муль, представленого зернистими гумонами (рис. 1 а) та аморфного гумусу, щільно зв’язаного з мінеральною основою (рис. 1 б).
Під лісовими культурами утворюється детритний (Чорнобай, 2000) шар, що містить 26,75-26,89% гумусу та 30,32-31,12% органічної речовини. У цілому лісові культури сприяють нагромадженню гумусу, особливо в перших трьох десятисантиметрових шарах та агрегатоутворенню (рис. 1 в). В умовах штучних лісів із тіньовою структурою освітлення виявлено лесіваж (рис. 1 г).
Ґрунтовий покрив агробіогеоценозів суттєво відрізняється від цілинних ділянок. Особливостями його є перемішування шарів, зміна напрямку ґрунтоутворення, руйнування агрегатів (рис. 1 д). В агроценозах вміст гумусу зменшився приблизно на 20%. На полях після люцерни кількість гумусу дещо більша (5,12-5,51%). Після дворічної монокультури проса вміст гумусу зменшується. У чорноземі звичайному середньопотужному орному виділяється шар з низьким вмістом фульвокислот на переході від орного до підстилаючого горизонту Н2, що слід розглядати як вплив обробки ґрунту. Цей же фактор суттєво зменшує вміст нерозчинного залишку. Отже, довготривала обробка ґрунтів є потужним екологічним фактором, який зумовлює зміни в самому стабільному компоненті гумусу – нерозчинному залишку. Техногенні ландшафти включають відвали, провали, кар’єри та шламосховища. На цих новоутвореннях формування ґрунтового покриву має свої специфічні риси. У ґрунтах відмічені нагромадження аморфного гумусу, гумусу типів муль, соленагромадження, вторинне ілювіювання, технолесіваж (рис. 1 е).
Видимими ознаками функціонування рослинного покриву є біоморфічний склад рослинних угруповань та величина біомаси, що утворюється щорічно. Нагромадження гумусу залежить від цих параметрів та якості субстрату, на якому формуються ґрунти. Таким чином, потужність гумусових горизонтів, вміст гумусу та його склад є важливими показниками, що відбивають особливості впливу біоти на гірські породи.
МЕЗОФАУНА ЯК ДЕСТРУКТИВНИЙ КОМПОНЕНТ
БІОГЕОЦЕНОЗІВ КРИВОРІЖЖЯ
Мезофауна степових БГЦ має досить сталі морфо-екологічну та трофічну структури, антропогенні зміни в них спостерігаються на рівні субдомінантів та рецедентів. Зміни чисельності мезофауни в степах під антропогенним впливом зумовлені зменшенням екологічної місткості, як за рахунок кількості екологічних ніш, так і через трансформацію екологічного простору певних із них.
У штучних лісових БГЦ чисельність, біорізноманіття, трофічна та морфо-екологічна структури наземної мезофауни детерміновані складом деревної, трав’янистої рослинності та техногенним впливом. Морфо-екологічні та трофічні ніші наземної мезофауни лісових масивів є повночленними, але маломісткими. Для лісових масивів характерний незначний рівень екологічної місткості для НЗК, що зумовлено переважанням екологічних ніш надземного, а ні наземного ярусу.
Під техногенною дією змінюється біорізноманіття наземної мезофауни за рахунок варіабельності екологічної місткості ценозу: відбувається трансформація морфо-екологічної та трофічної структур.
На промділянках зміни рівня забруднення практично не впливають на морфо-екологічну та трофічну структури наземної мезофауни – змінюються лише екологічна місткість за рахунок кількості екологічних ніш. Мезофауна спонтанно сформованих біогеоценозів проммайданчиків з трав’янистою рослинністю має досить сталу структуру, для якої характерне зменшення загальної чисельності при зростанні газопилового забруднення за рахунок досить однорідного зниження чисельності кожної групи.
Формування мезофауни БГЦ різних стадій заростання суглинистих розкривних порід має подібний характер і у своєму розвитку наближається до зональної, а на розкривних породах, які не властиві денній поверхні, зооценози мають специфічну структуру.
Рекультиваційні насадження різних деревних порід спричинюють суттєве зменшення екологічної місткості ценозу для наземної мезофауни – екологічні пріоритети зміщуються у надземний ярус. Фауністичні комплекси відвалів у підзоні середніх степів мають специфічну структуру, яка зумовлена своєрідністю ґрунтотворної породи та зональними умовами. Структура мезофауни та екологічна місткість БГЦ на плесах та дамбах шламосховища залежить від ступеня сформованості БГЦ. Формування мезофауни дамб шламосховища йде за зональним типом.
ЗООІНДИКАЦІЯ АНТРОПОГЕННИХ І ТЕХНОГЕННИХ
БІОГЕОЦЕНОЗІВ КРИВОРІЖЖЯ
Індикаційні таблиці побудовані на базі кореляційних матриць інформаційно-логічного аналізу. Блоки індикації наведені з відображенням позитивної реакції наземної мезофауни на комплекс екологічних умов конкретних біотопів.
Індикаторні блоки наземної мезофауни степових біогеоценозів мають такий склад:
?
Catopidae, Pselaphidae, Ptinidae, Oedemeridae та Mordellidae відображують степове гумусонагромадження та карбонатизацію (контрольний біотоп);
?
Diptera, Hemiptera, Staphylinidae, Curculionidae, Scarabaeidae, Arachnida, Isopoda, Dermaptera, Bruchidae, Homoptera – специфіку ґрунтотворних процесів у БГЦ кам’янистого степу – зокрема, гіпергенез гранітів;
?
Alleculidae та Cleridae – імпульсний вплив малопотужного пило-газового забруднення;
?
Silphidae, Buprestidae, Diplopoda, Meloidae, Cerambуcidae, Byrrhidae, Cantharidae, Coccinellidae, Histeridae, Carabidae, Orthoptera, Dermestidae, Tenebrionidae – нагромадження та міграцію по профілю техногенних пилуватих часток;
?
Mollusca, Arachnida, Isopoda, Tenebrionidae – степове гумусонагромадження, незначна карбонатизація, поступове постійне руйнування горизонту Н1 ґрунтового профілю та імпульсне малопотужне газопилове забруднення;
?
Diplopoda, Chilopoda, Dermestidae, Cleridae, Silphidae, Alleculidae, Cerambycidae, Carabidae – зменшення карбонатизації;
?
Histeridae, Byrrhidae, Ptinidae, Buprestidae, Nitidulidae, Oedemeridae, Mordellidae, Chrysomelidae, Bruchidae, Neuroptera, Lepidoptera – збільшення карбонатизації.
В лісових БГЦ виявлені індикатори лісового гумусонагромадження, гуміфікації підстилки, лесіважу, гіпергенезу корінних порід. На промділянках виявлені індикатори газопилового забруднення. Індикаторні блоки кар’єрно-відвальних комплексів відображують гіпергенез розкривних порід та початкові стадії гумусонагромадження.
Рис 1. Мікроморфологічний стан ґрунтів Кривбасу:
а – мікроструктура чорнозему звичайного (агрегати І та ІІ порядків, добре відокремлені один від одного), Н1 – 0-23 см (шліф 0-8 см), нік.ІІ, ?60 (контрольний БГЦ); б – мікроструктура дерново-степового ґрунту (ґрунтові агрегати пилуватого розміру, добре відокремлені один від одного, Н1 – 0-12 см (шліф 0-8 см), нік.ІІ, ?60 (степовий БГЦ транзітної позиції); в – мікроструктура чорнозему звичайного лісопокращеного (ґрунтові агрегати практично не виділяються – суцільна ґрунтова маса, мінеральний скелет: дуже крупні зерна кальциту (5-6 мк)), Н1 – Н2 25 -70 см (шліф 20-28 см), нік. +, ?60; г – замкнена каналоподібна пора, в якій спостерігається лесіваж (чорнозем звичайний лісопокращений), Н1 – Н2 25 -70 см (шліф 20-28 см), нік. +, ?60; д – мікроструктура чорнозему звичайного орного (ґрунтові агрегати практично не виділяються – суцільна змішана ґрунтова маса, мінеральний скелет: дуже дрібноуламковий кальцит (0,1-0,5 мк)), Н1 – 0-26 см. (шліф 10-18 см), нік. ІІ, ?60 (агроБГЦ); е – пори та пустоти, заповнені пилуватими частинками (примітивний ґрунт на шламі), Н1 0-20 см. (шліф 10-18 см)., нік. ІІ, ?60 (техногенний БГЦ).
Примітивне гумусонагромадження, мінералізація, низхідна міграція мулистих часток шламу та розсолення відображають блоки наземної мезофауни БГЦ шламосховищ.
АНТРОПОГЕННА ТРАНСФОРМАЦІЯ БІОГЕОЦЕНОЗІВ
КРИВОРІЖЖЯ
Площі, які займають біогеоценози антропогенного типу біогеосфери, зокрема із порушенням геоморфологічної будови, літологічної основи, ґрунтового та рослинного покривів, для регіону досить значні (рис. 2, а).
Так, територія м. Кривий Ріг становить 475 км2, з яких 451 км2 (94,9%) має рівень антропогенної трансформації від чотирьох балів і вище, зокрема 16,1% (76,58 км2) території міста мають чотирьохбальний рівень трансформації екосистем (БГЦ власне антропогенного підтипу), а 25,7% – п’ятибальний. Для регіону п’ятибальний рівень трансформації біогеоценотичного покриву (який відповідає БГЦ техногенного підтипу) можна вважати фоновим. 31,6% території міста мають катастрофічний рівень трансформації біогеоценотичного покриву (БГЦ техногенного підтипу). Виходячи з цього, можна стверджувати, що м. Кривий Ріг внаслідок значної трансформованості біогеоценотичного покриву є специфічним новоутворенням – техноекосистемою.
Сумарне газопилове забруднення (силікатний пил, оксиди сірки, азоту, сірководень, бенз-а-пирен, фенол) території міста та його околиць, на рівні від 0,5 ГДК і вище, охоплює площу 796,72 км2 (розрахунки проведені за допомогою програми Еол +). Слід зазначити, що більше половини цієї території (55,9%) має рівень забруднення 1-2 ГДК (2 бали). 89,2 км2 має рівень сумарного забруднення 2-4 ГДК (3 бали). Рівень забруднення 4-8 ГДК (4 бали) притаманний 12,8% площі міста, а для 5,34 км2 – рівень газопилового забруднення більше 8 ГДК (5 балів). Існування техноекосистеми міста Кривий Ріг спричиняє зміни екологічного стану оточуючих територій (рис. 2, б). Всього екологічний стан від чотирьох балів і вище в регіоні мають 798,34 км2. Але для 53% цієї території характерний чотирьохбальний стан, який можна вважати фоновим. Відносно загальної площі міста критичний екологічний стан властивий майже 15% (71,11 км2), а кризовий – 15,7%. Обидва рівні суттєво перевищують 10% межу.
Нами зроблена спроба розробки типологічної класифікації БГЦ Кривбасу на генетичному підході з урахуванням диференціюючих ознак, впроваджених Дилісом (1964) для лісових БГЦ. Біогеоценогенез яскраво відображується в елементарних ґрунтових процесах. Сучасний розвиток біогеоценотичного покриву Криворіжжя зумовлюють три процеси: природний біогеоценогенез, антропоценогенез та техноценогенез біогеоценозів (табл. 1).
Їх співвідношення визначає специфіку структурних одиниць біогеоценотичного покриву.
Рис. 2 Розподіл площ Криворіжжя з різним рівнем антропогенної трансформації біогеоценотичного покриву (а) та різним екологічним станом (б):
ГЗК – гірничо-збагачувальні комбінати: Ін – Інгулецький, Півд – Південний, Ц – Центральний, НК – Новокриворізький, Півн –Північний.
Таблиця 1
Біогеоценогенез Криворіжжя
Характер генезису
Об’єкти | Природний
біогеоценогенез | Антропоценогенез | Техноценогенез
БГЦ | Степові БГЦ | Деградовані степові БГЦ | Штучні лісові БГЦ | АгроБГЦ | БГЦ кар'єрів | БГЦ відвалів | БГЦ шламо-сховищ | БГЦ пром-ділянок
Рослинний покрив | Непорушені степові фітоценози | Степові фі-тоценози у стані дигресії | Штучні
лісові фітоценози | Культурфітоценози | Угруповання піонерної та рудеральної рослинності
Ґрунт | Чз, Чп, Дст | Чзе, Чпе, Дсте | Чзл | Чзо,Чзое , Чпо, Чпое | Пф, Пс, Пр,Сог, Сб | Пф, Пс, Пр,Сог,Сб | Пф, Пс, Пр, Сог, Сб | Тз, Пз, Лз Пф, Пс, Пр, Сог, Сб
ЕГП | Степове гумусонагромад-ження, арега-тоутворення, карбонатизація гіпергенез корінних порід, соленагромад-ження | Степове гу-мусонагро-мадження, карбонатизація, руйнування агрегатів, соленагро-мадження | Нагромад-ження гу-мусу типу муль, гумі-фікація та мінераліза-ція підстил-ки, агрега-тоутворен-ня, лесіваж | Мінералі-зація, руйнування агрегатів | Нагромадження гумусу типу муль, гіпергенез мінералів, не властивих денній поверхні, соленагромадження | Нагромадження гумусу типу муль, аморф-ного, гіпергенез мінералів, не властивих денній поверхні, соленагромадження | Нагромадження аморфного гумусу, гіпергенез мінералів, не властивих денній поверхні, соленагромадження, технолесіваж | Нагромадження гумусу типів муль, аморфного, вторинне ілювіювання, соленагромадження, технолесіваж
Примітка. Ґрунти: Чз – чорнозем звичайний; Чп – чорнозем південний; Дст – дерново-степовий; Чзе, – чорнозем звичайний еродований; Чпе – чорнозем південий еродований; Дсте– дерново-степовий еродований ; Чзл – чорнозем звичайний лісопокращений; Чзо – чорнозем звичайний орний; Чзое – чорнозем звичайний орний еродований; Пф – примітивний фрагментарний; Пс – примітивний слабосформований; Пр– примітивний розвинений; Сог – субстрат з ознаками ґрунтоутворення; Сб – субстрат без ознак ґрунтоутворення; Тз – технозем, Пз – педозем, Лз – літозем.
При цьому, природний біогеоценогенез – розвиток біогеоценозів, детермінований природними чинниками. Антропоценогенез біогеоценозів – зміна природних біогеоценозів під впливом діяльності людини, яка призводить до появи на місці природних БГЦ антропогенних. Техноценогенез БГЦ – це розвиток екосистем, які виникли внаслідок техногенної діяльності або зазнають її постійного впливу. Під техногенним ми розуміємо вплив, який докорінно змінює структуру біогеоценотичного покриву (до повного знищення біогеоценозів). Докорінною при цьому є незворотна зміна, при якій руйнується структурна організація екосистеми.
При виявленні структурних одиниць біогео-ценотичного покриву слід зазначити, що антропоценогенез біогеоценозів – це первинний процес генезису власне антропогенного підтипу біогеосфери, техноценогенез біогеоценозів – первинний процес генезису техногенного підтипу біогеосфери антропогенного типу біогеосфери.
ВИСНОВКИ
1.
Установлено, що в умовах Кривбасу структура рослинного покриву в природних степових БГЦ досить стала і детермінована ґрунтовим покривом та зволоженням. Антропогенні БГЦ є фітоваріантними і мають специфічний рослинний покрив, зумовлений антропогенним впливом. У техногенних БГЦ відбувається докорінна зміна (техногенна дигресія) або формування нового рослинного покриву .
2.
У ґрунтах степових біогеоценозів домінують карбонатизація, нагромадження гумусу типу муль, соленагромадження. В антропогенних БГЦ зміни рослинного покриву призводять до зміни типу гумусонагромадження (лісове гумусонагромадження в штучних лісових БГЦ) або до зміщення балансу у бік мінералізації гумусу (в агроБГЦ).
3.
Доведено, що в техногенних БГЦ виникають нові ЕГП: низхідна міграція мулистих шламових часток по профілю (технолесіваж), нагромадження пилуватої фракції у поровому просторі, гіпергенез гірських порід, які не властиві денній поверхні.
4.
Наземна мезофауна степових біогеоценозів має досить сталу еудомінантну морфо-екологічну та трофічну структури. Антропогенний вплив призводить до змін на рівні субдомінантів та рецедентів. Зміни чисельності наземної мезофауни під антропогенним впливом зумовлені зменшенням екологічної місткості (як за рахунок кількості екологічних ніш, так і через трансформацію екологічного простору певних із них).
5.
Для штучних лісових масивів властивий незначний рівень екологічної місткості для наземної мезофауни через переважання екологічних ніш надземної, а не наземної мезофауни. Структура наземної мезофауни цих БГЦ детермінована складом деревної та трав’янистої рослинності. Морфо-екологічні та трофічні ніші наземної мезофауни лісових масивів є повночленними, але маломісткими. В агроБГЦ мезофауна є еудомінантною за морфо-екологічною та трофічною структурами. Специфіка різних сільськогосподарських культур зумовлює лише зміни екологічної місткості та незначний перерозподіл екологічного простору.
6.
Доведено, що вплив антропогенної трансформації спостерігається у зменшенні екологічного простору через скорочення об’єму екологічних ніш до повного їх зникнення. Загальна чисельність мезофауністичного комплексу біогеоценозів порушених земель залежить від стадії формування біогеоценозу та якісного складу ґрунтотворної породи. Зміни структури домінування мезофауни зумовлені варіабельністю екотопів.
7.
Рослинний покрив є основним екологічним фактором природної частини БГЦ техногенних ландшафтів, який визначає формування наземного зоологічного комплексу. Наземній мезофауні в зоні впливу пилогазового забруднення властиві зміни чисельності субдомінантів. Мезофауна БГЦ різних стадій заростання суглинистих розкривних порід має подібний характер і у своєму розвитку наближається до зонального. Мезофауна розкривних порід, які не властиві денній поверхні, має специфічну структуру.
8.
Установлено, що для зооіндикації найважливіших процесів ґрунтоутворення можливе використання таксономічних груп наземної мезофауни від родини і вище. Проведена зооіндикація цих процесів.
9.
Специфіка генезису БГЦ знаходить відображення у складі рослинного, ґрунтового покриву та в елементарних ґрунтових процесах. Установлено, що в регіоні переважають БГЦ техногенного підтипу антропогенного типу біогеосфери.
10.
На основі здобутих матеріалів запропоновані рекомендації з відновлення, охорони та раціонального використання БГЦ Кривбасу.
СПИСОК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Статті:
1.
Сметана Н.М., Сметана О.М., Резниченко Т.И. Структурна організація угруповань мезофауни як показник природно та антропогенно зумовлених змін в екосистемах // Вопросы биоиндикации и охраны природы. – Запорожье: ЗГУ, 1997. – С. 171-174.
2.
Сметана О.М. Наземна мезофауна як показник впливу деревних насаджень // Питання біоіндикації та екологі: Міжвідомчий збірник наук. праць. – Запоріжжя, 1999. – С. 148-152.
3.
Сметана Н.Г., Мазур А.Е., Сметана А.Н. Рост и развитие сосны крымской на железорудных отвалах Кривбасса // Интродукция и акклиматизация растений: Межведомств. сборн. научн. трудов. – Вып. 32. – Киев, 1999. – С. 140-149.
4.
Сметана О.М. До можливості використання наземного зоологічного комплексу для індикації стану рослинних угруповань порушених земель // Питання біоіндикації та екології. – Вип 5, № 3.– Запорожье, 2000. – С. 169-175.
5.
Сметана О.М. Зооіндикація екологічних умов біогеоценозів відвалів південної частини Криворіжжя // Питання біоіндикації та екології. – Вип 6, № 3.– Запорожье, 2001.– С.71-82.
6.
Сметана Н.Г., Савосько В.Н., Гапон В.А., Сметана А.Н. Методология оценки состояния окружающей среды региона // Гигиена, токсикология, физиология труда и профессиональная патология в промышленности: Сборник науч. трудов. – Кривой Рог, 1995.– С. 250-254.
Особистий внесок – участь у розробці блок-схеми екологічних функцій (20%).
7.
Сметана Н.Г., Савосько В.Н., Гапон В.А., Сметана А.Н. Методы оценки состояния экосистемы региона (на примере Ингулецкого горно-обогатительного комбината). // Гигиена, токсикология, физиология труда и профессиональная патология в промышленности: Сборник науч. трудов. – Кривой Рог, 1995.– С. 275-285.
Особистий внесок – участь у обробці баз даних, створенні карт (20%).
8.
Сметана О.М, Сметана Н.М., Сметана М.Г. Структурна організація угруповань наземної мезофауни як показник рівня антропогенного навантаження // Геологічне середовище антропогенної екосистеми. – Кривий Ріг, 2001.– С.88-95.
Особистий внесок – збір та обробка матеріалу (50%).
Тези та матеріали конференцій:
9.
Сметана Н.М., Сметана А.Н. Экологические функции зооценозов и их изменения в атропизированных системах // Биологическая рекультивация нарушенных земель. Матер. междунар. совещ. – Екатеринбург, 1996. – С. 137-138.
Особистий внесок – розробка схеми функцій (50%).
10.
Сметана О.М., Резніченко Т.І. Мезофауна Криворізького ботанічного саду // Наукові записки Державного природознавчого музею НАН України. – Т. 12. – Львів, 1996.– С. 56.
Особистий внесок – збори та аналіз матеріалів (50%).
11.
Сметана Н.М., Сметана О.М. Індикація антропогенних впливів зоологічними методами // Проблеми екологічної безпеки та керованого контролю динамічних природно-техногенних систем (Науково-методичні основи, практика, досвід, екологічна освіта). Львів, 24-26 вересня 1996 р.). – К., 1996.– С.46-48.
Особистий внесок – збори та аналіз матеріалів (50%).
12.
Сметана А.Н. К структуре мезофауны нарушеных земель // Матеріали Всеукраїнської конференції “Охорона довкілля: екологічні, медичні, освітянські аспекти“. – Кривий Ріг, 1997. – Ч.1. – С. 25-28.
13.
Сметана О.М. Антропогенно зумовлені зміни фауністичних комплексів біогеоценозів Криворіжжя // Тези міжнародної конференції “Питання біоіндикації і екології”. – Запоріжжя, 1998. – С. 69.
14.
Сметана О.М. Синтаксономія рудеральної рослинності молодих відвалів// Матеріали Всеукраїнської конференції “Охорона довкілля: екологічні, медичні, освітянські аспекти“. – Кривий Ріг, 1998. – Ч.2. – С. 17-24.
15.
Савосько В.Н., Хацкевич В.В., Сметана А.Н. Некоторые направления развития Кривбасса на основе экологических приоритетов // Усталений розвиток гірничовидо-бувного регіону. – Кривий Ріг, 1998. – С. 53-59.
Особистий внесок – обгрунтування частини напрямків (30%).
16.
Сметана О.М., Сметана Н.М. До питання про зооіндикацію і зоодіагностику // Матеріали регіональної науково-практичної конференції “Географія та екологія Кривбасу”. – Кривий Ріг, 1999. – С. 71-72.
Особистий внесок – розробка підходів до зооіндикації (50%).
17.
Сметана А.Н. Структура комплексов наземной мезофауны – индикатор загрязнения силикатной пылью степных экосистем // Матеріали ІІ міжнародної наукової конференції “Проблеми фундаментальної та прикладної екології”. – Кривий Ріг, 2000. – Ч.ІІ. – С. 65-68.
18.
Сметана О.М. Структурна організація угруповань наземної мезофауни лісових біогеоценозів та індикація елементарних ґрунтових процесів // Матеріали Всеукраїнської зоологічної конференції “Зоологічні дослідження в Україні на межі тисячоліть”. – Кривий Ріг, 2001. – С.181-183.
19.
Сметана А.Н. К вопросу об оценке биоразнообразия // Матеріали Всеукраїнської зоологічної конференції “Зоологічні дослідження в Україні на межі тисячоліть”. – Кривий Ріг, 2001. – С.184-186.
20.
Сметана А.Н. К вопросу об оценке биоразнообразия // Геоэкологические и биоэкологические проблемы северного Причерноморья: Материалы международной НПК. – Тирасполь, 2001.– С.272-274.
21.
Сметана А.Н. Сметана С.Н. Гумусообразование на отвалах Криворожья // Тез. докл.VIII междунар. конф. студ. и асп. по фундаментальным наукам. “Ломоносов-2001”. – М., 2001. – С. 113-114.
Особистий внесок – збір та аналіз частини матеріалів (50%).
22.
Сметана А.Н. К вопросу об оценке биоразнообразия // Матеріали Всеукраїнської зоологічної конференції “Зоологічні дослідження в Україні на межі тисячоліть”. – Кривий Ріг, 2001. – С. 184-186.
23.
Сметана О.М, Сметана Н.М. Зооіндикація антропогенного навантаження на степові біогеоценози Криворіжжя // Наукова конференція “Еколого-біологічні дослідження на природних та антропогенно-змінених територіях”. – Кривий Ріг, 2002. – С. 390-397.
Особистий внесок – збір та аналіз матеріалів (50%).
АНОТАЦІЯ
Сметана О. М. Антропогенна трансформація біогеоценозів Кривбасу (біоіндикація, відновлення, управління). Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 – екологія. Дніпропетровський національний університет, 2003.
На підставі біогеоценотичних досліджень установлено, що структура рослинного покриву в природних степових БГЦ досить стала і детермінована ґрунтовим покривом та зволоженням. У ґрунтах степових біогеоценозів домінують карбонатизація, нагромадження гумусу типу муль та аморфного гумусу, соленагромадження. Наземна мезофауна степових біогеоценозів має досить сталу еудомінантну морфо-екологічну та трофічну структури.
В антропогенних БГЦ рослинний покрив специфічний, його зміни призводять до зміни типу гумусонагромадження або до зміщення балансу у бік мінералізації гумусу. Зміни чисельності наземної мезофауни під антропогенним впливом зумовлені зменшенням екологічної місткості .
У техногенних БГЦ відбувається докорінна зміна або формування нового рослинного покриву. Доведено, що в техногенних БГЦ Криворіжжя виникають нові ЕГП: низхідна міграція мулистих шламових часток по профілю (технолесіваж), нагромадження пилуватої фракції у поровому просторі, гіпергенез гірських порід, які не властиві денній поверхні. Загальна чисельність мезофауністичного комплексу біогеоценозів порушених земель залежить від стадії формування біогеоценозу та якісного складу ґрунтотворної породи. Виявлена індивідуальна сполученість індикаторних блоків наземної мезофауни з елементарними ґрунтовими процесами.
Специфіка генезису БГЦ відображується у складі рослинного, ґрунтового покриву та в елементарних ґрунтових процесах. Установлено, що в регіоні переважають БГЦ техногенного підтипу антропогенного типу біогеосфери.
Ключові слова: біогеоценоз, структура, індикація, антропогенна трансформація, наземна мезофауна, елементарні ґрунтові процеси.
АННОТАЦИЯ
Сметана А. Н. Антропогенная трансформация биогеоценозов Кривбасса (биоиндикация, восстановление, управление). Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 – экология. Днепропетровский национальный университет, 2003.
На основании биогеоценологических исследований установлено, что степным фитоценозам присуще доминирование аэропедофитов; видов, которые относятся к ксерофитной группе; травянистых поликарпиков, имеющих преимущественно каудексовые образования; гемикриптофитов; видов степного флороценотипа при значительном участии луговых и синантропных (сегетальных и рудеральных). Структура растительного покрова в естественных степных БГЦ довольно постоянна и детерминирована почвенным покровом и увлажнением. В почвах степных биогеоценозов доминируют карбонатизация, накопление гумуса типа муль, соленакопление. Наземная мезофауна степных биогеоценозов имеет довольно стабильные эудоминантныв морфо-экологическую и трофическую структуры.
В антропогенных БГЦ растительный покров специфический. Его развитие обусловлено спецификой хозяйственного использования биогеоценоза. Изменения растительного покрова приводят к изменению типа гумусонакопления (лесное гумусонакопление в искусственных лесных БГЦ) или к смещению баланса в сторону минерализации гумуса (в агроиогеоценозах). Изменения численности наземной мезофауны (на уровне субдоминантов и рецедентов) под антропогенным влиянием обусловлены уменьшением экологической емкости экотопов (как за счет количества экологических ниш, так и в результате трансформации экологического пространства определенных из них). Структура наземной мезофауна антропогенных БГЦ детерминирована фитоценозом.
В техногенных БГЦ происходит коренное изменение (техногенная дигрессия) или формирование нового растительного покрова. Растительности нарушенных земель присущи значительные вариабельность в границах каждого типа и отличие между разными типами техногенных БГЦ. Доказано, что в техногенных БГЦ Криворожья возникают новые элементарные почвенные процессы: нисходящая миграция иловатых шламовых частиц по профилю (технолессиваж), накопление пылеватой фракции в поровом пространстве, гипергенез горных пород, не свойственных дневной поверхности. Доказано, что влияние техногенной трансформации БГЦ приводит к уменьшению экологической емкости из-за уменьшения объема экологических ниш вплоть до полного их исчезновения.
Общая численность мезофауны биогеоценозов нарушенных земель зависит от стадии формирования биогеоценоза и качественного состава почвообразующей породы. Изменения структуры доминирования наземной мезофауны обусловлены вариабельностью экотопов. Мезофауна БГЦ разных стадий зарастания суглинистой вскрыши имеет довольно однородный характер и в своем развитии приближается к зональной. Наземная мезофауна биогеоценозов на вскрышных породах, которые не свойственны дневной поверхности, имеет специфическую структуру. В зоне влияния пылегазового загрязнения мезофауна имеет довольно постоянную структуру доминирования, для которой присущи изменения численности субдоминантов. Рекультивационные насаждения различных древесных пород обуславливают существенное уменьшение экологической емкости ценоза для наземной мезофауны – экологические приоритеты смещаються в надземный ярус. Фаунистические комплексы отвалов в подзоне средних степей имеют специфическую структуру, которая обусловлена своеобразием почвообразующей породы и зональными условиями.
Антропогенная трансформация предопределяет изменения как интегральных, так и дифференциальных параметров структуры мезофауны. Установлено, что для зооиндикации важнейших процессов почвообразования возможно использование таксономических групп наземной мезофауны от семейства и выше, проведена зооиндикация этих процессов. Выявлена частная сопряженность индикаторных блоков мезофауны с элементарными почвенными процессами.
Специфика генезиса БГЦ находит отражение в составе растительного и почвенного покрова и элементарных почвенных процессах. Установлено, что в регионе преобладают БГЦ техногенного подтипа антропогенного типа биогеосферы.
Ключевые слова: биогеоценоз, структура, индикация, антропогенная
трансформация, наземная мезофауна, элементарные почвенные процессы.
ANNOTATION
Smetana A. N. The Anthropogenic Transformation of Kryvoy Rog Biogeocenosises (Bioindication, Restoration and Management). The Manuscript. The dissertation on receiving the Candidate Science degree in major of 03.00.16 – Ecology. Dnеpropet-rovsk National University, 2003.
According to the author’s biogeocenosises (BGC) research, the vegetation structure in natural steppe BGC is permanent. The structure is determined via quality of soil and humidification. The processes in soils are carbonization, accumulation of humus and salt. The steppe BGC ground mezofauna have a permanent eudominant morph-ecological and trophical structure.
The vegetation in the antopogenic BGC is specific. The changes in vegetation cover cause humus accumulation type changes or mineralization of the humus. The ground mezofauna structure of these BGC is influenced via structure and quality of phytocenosis.
The technogenically modified BGC contain deeply changed or newly formed vegetation cover. The appearance of the new elementary soil processes in the technogenic BGC of Kryvoy Rog was proved. There are migration of silt particles downward in profile (technolesivash), dust fraction accumulation in the air spaces, rock’s gipergenesis, which is not common for the daytime surface. The mezofauna of the crumbled rocks, which are not common for the daytime surface, differs by specific structure.
The specifics of BGC genesis reflect in the structure of the plant and soil cover as well as in the elementary soils processes. The author reveals that biogeosphere’s anthropogenic type technogenic subtype BGC-s are dominant in the region.
The key words are: biogeocenosis, structure, indication, anthropogenic transformation, ground mezofauna and elementary soils processes.
