2014-51-2

На основе повторных регистраций состояния древесного и травяно-кустарничкового ярусов, выполненных с периодичностью 5–10 лет в течение 25 лет, охарактеризована динамика растительных сообществ в период снижения атмосферных выбросов крупного точечного источника загрязнения. Несмотря на значительное сокращение, а затем почти полное прекращение выбросов, растительность на участках с высоким загрязнением остается в крайне угнетенном состоянии. На территории со слабым и умеренным уровнями загрязнения естественные факторы могут играть более важную роль в динамике лесных сообществ, чем собственно сокращение выбросов. Полученные данные могут быть использованы для прогнозирования динамики популяций и сообществ растений на загрязненных территориях и мониторинга состояния природных экосистем.

Изучение лесных экосистем, подверженных многолетним (с 1940 г.) выбросам Среднеуральского медеплавильного завода, было начато в 1989 г. В импактной (1 и 2 км к западу от завода), буферной (4 и 7 км) и фоновой (30 км) зонах в елово-пихтовых лесах были заложены 25 постоянных пробных площадей 25×25 м (по 5 на удаление). Повторные регистрации состояния древостоя выполнены на тех же пробных площадях в 1998 и 2008 гг., травяно-кустарничкового яруса (ТКЯ) – в 1999, 2007 и 2013 гг. В 1980-х гг. валовый выброс СУМЗ достигал 150–225 тыс. т в год, к началу 2000-х гг. снизился до 65 тыс. т/год, середине 2000-х гг. – до 25 тыс. т/год, а после кардинальной реконструкции предприятия в 2010 г. – до менее 3–5 тыс. т/год (рис. 1). Таким образом, временной отрезок наблюдений охватывает почти 25 лет, в течение которых выбросы предприятия постепенно снижались. Соответственно, можно сравнить состояние растительности на момент стабильно высоких выбросов (1989 г.), их существенного снижения (1999 гг.) и почти полного прекращения (2007 и 2013 гг.). Рисунок 1 –Динамика валовых выбросов СУМЗа в период 1980–2013 гг. Стрелками обозначен год регистрации состояния травяно-кустарничкового яруса Несмотря на многократное снижение выбросов, концентрации тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd, Zn) в почве во всех зонах не только не уменьшились к 2012 г. по сравнению с 1989 г., но даже увеличились. Так, концентрации свинца в фоновой зоне выросли с 19 мкг/г в 1989 г. до 66 мкг/г в 2012 г., в буферной (4 км) – с 45 до 135 мкг/г, в импактной (1 км) – с 280 до 380 мкг/г. Увеличение содержания металлов, помимо собственно продолжавшихся атмосферных выпадений, скорее всего, обусловлено их постепенным вымыванием из подстилки. Кислотность гумусового горизонта в период с 1989 по 1999 гг. не изменилась, а с 1999 по 2012 гг. – на всех участках снизилась на 0.5–0.7 ед. рН и приблизилась к значениям, характерным для дерново-подзолистых почв Среднего Урала (4.6–5.0). Таким образом, сформировавшаяся к концу 1990-х гг. техногенная геохимическая аномалия за 25 лет не претерпела существенных изменений, а наоборот, стала еще более выраженной. Это хорошо согласуется с представлениями о крайне медленной разгрузке загрязненных ландшафтов даже при полном прекращении выбросов из-за низкой подвижности металлов; снижение же кислотности еще больше усиливает их иммобилизацию. В период 1989–1999 гг. густота древостоя и запас древесины уменьшились на 20–40%, причем синхронно на всех участках, а доля сухостоя практически не изменилась. Это свидетельствует о наличии единого для всего района внешнего воздействия, никак не связанного с уменьшением загрязнения. В период 1998–2008 гг. густота древостоя и запас древесины увеличились, причем, как и ранее, синхронно на всех участках. Доля сухостоя также увеличилась во всех зонах, но не синхронно: наиболее существенно (до 80%) – в импактной. Последнее свидетельствует о прогрессирующем разрушении древесного яруса. Общим трендом в период 1989–1999 гг. для всех участков было увеличение видового разнообразия травяно-кустарничкового яруса в микромасштабе (десятки сантиметров). На всех участках, за исключением наиболее близкого к заводу, наблюдалось увеличение разнообразия в мезомасштабе (десятки метров) и макромасштабе (сотни метров) (рис. 2), в основном, за счет видов нарушенных местообитаний (Agrostis capillaris, Chrysosplenium alternifolium, Phegopteris connectilis и др.). В период 1999–2007 гг. видовое разнообразие травяно-кустарничкового яруса в микромасштабе во всех зонах осталось неизменным; в мезомасштабе – увеличилось только в 30 и 7 км от завода, но не столь сильно, как в предыдущий период, а на остальных участках стабилизировалось. Изменения в видовом составе в фоновой и буферной (7 км) зонах были связаны с появлением видов нарушенных (Galeopsis bifida, Tussilago farfara, Chamaenerion angustifolium и др.) или луговых местообитаний (Coccyganthe flos-cuculi, Succisa pratensis и др.). В период 2007–2013 гг. во всех зонах нагрузки разнообразие сообществ в макромасштабе практически не изменилось. Разнообразие в микро- и мезомасштабе снизилось в импактной (2 км) и буферной зонах, осталось неизменным в непосредственной близости от завода (1 км) и несколько увеличилось в фоновой зоне. Рисунок 2 – Динамика видового богатства (общее количество видов на удаление) на разных участках градиента загрязнения Изменения разнообразия в первый период можно было бы напрямую связать со снижением выбросов и рассматривать как свидетельство быстрого восстановления травяно-кустарничкового яруса. Однако анализ динамики во все периоды не позволяет сделать такого заключения. Скорее всего, динамика травяно-кустарничкового яруса вторична по отношению к изменениям древостоя, которые, в свою очередь, вызваны естественными причинами. Известно, что в середине первого периода (6 июня 1995 г.) в Свердловской обл. был зарегистрирован ураган, повлекший массовый вывал деревьев. Район наших исследований задело лишь его краем, что вызвало только снижение густоты древостоя. «Взрывное» увеличение разнообразия травяно-кустарничкового яруса, характер изменений его состава и структуры в фоновой и буферной зонах (появление или увеличение обилия видов открытых и нарушенных местообитаний) полностью соответствуют хорошо документированному ходу демутационных процессов после ветровалов. Из этого следуют два важных вывода: 1) естественные нарушения могут играть большую роль в динамике лесных сообществ в условиях загрязнения, чем собственно сокращение выбросов; 2) данные кратковременных наблюдений рискованно использовать как доказательство быстрого восстановления экосистем при снижении выбросов из-за возможного совпадения с действием естественных факторов, а для корректного заключения о причинах динамики необходимы долговременные исследования. Отсутствие каких-либо положительных изменений в состоянии растительности на территории с высоким уровнем загрязнения в течение 25-ти лет наблюдений свидетельствует о том, что, несмотря на снижение выбросов, токсическая нагрузка в импактной зоне остается очень высокой, превышающей критический уровень для большинства видов. Это может рассматриваться как свидетельство справедливости инерционной гипотезы; механизмами стабильности могут быть: 1) медленное очищение почвы от металлов, 2) существование мощной лесной подстилки, препятствующей развитию растений, 3) истощение почвенного банка семян.