Содержание к диссертации
Введение
1. ПРОБЛЕМЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 7
1.1. Возможные направления рекультивации земель за рубежом 8
1.2. Состояние и прогноз использования нарушенных земель в РФ и странах СНГ 14
1.3. Основные направления рекультивации земель наКМА 23
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ, РАЙОНА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 35
2.1. Объекты исследований 35
2.2. Общая характеристика природных условий и района экспериментальных исследований 38
2.3. Методика проведения исследований 42
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 47
3.1. Естественное зарастание свежеотсыпанных отвалов КМА 47
3.2. Лабораторный опыт с посевом трав 53
3.3. Мелкоделяночньш опыт с посевом трав 56
3.4. Химический состав растений, возделываемых на отвалах Михайловского ГОКа 66
4. ФОРМИРОВАНИЕ ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ НА ОТВАЛАХ МГОКА 73
4.1. Естественное возобновление плодово-ягодных кустарников на отвалах МГОКа 73
4.2. Экспериментальные посадки плодово-ягодных кустарников на отвалах Михайловского железорудного месторождения КМА 76
4.3. Результаты исследований посадок древесных культур 83
5. РАЗРАБОТКА ПРОЕКТНОГО РЕШЕНИЯ ПО ОБЛЕСЕНИЮ ОТВАЛА № 5 94
ВЫВОДЫ 115
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 118
ПРИЛОЖЕНИЯ 142
- Возможные направления рекультивации земель за рубежом
- Естественное зарастание свежеотсыпанных отвалов КМА
- Естественное возобновление плодово-ягодных кустарников на отвалах МГОКа
Введение к работе
Актуальность темы. В результате ведения открытых горных работ в бассейне КМА образовано свыше 30 внешних отвалов и шлам охранил ищ, занимающих более 30 тыс. га плодородных почв, на большей части которых ранее располагались пахотные угодья. Формирующиеся отвалы вскрышных пород являются бесплодными, в них прерван основной поток круговорота вещества и энергии. Техногенный ландшафт, образованный в результате открытых разработок железной руды неустойчив к процессам водной и ветровой эрозии, что приводит к загрязнению природной среды, снижению продуктивности и качества продукции близлежащих агроценоз ов. Исследования, проводимые в настоящее время на территории КМА, направлены на поиск путей использования нарушенных территорий в народном хозяйстве региона,
В этой связи нами изучались вопросы, связанные с созданием устойчивости техногенных ландшафтов КМА и улучшением санитарно-гигиенической ситуации, сложившейся в регионе функционирования Михайловского горно-обогатительного комбината.
Цели и задачи исследований. Целью наших исследований являлось изучение процессов естественного зарастания отвалов вскрышных пород МГОКа травянистой и древесно-кустарниковой растительностью и использование полученных данных для создания культурных фитоценозов на техногенных ландшафтах КМА.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследовать естественную растительность отвалов вскрышных пород МГОКа.
Исследовать возможность произрастания на вскрышных породах новых видов трав и кустарников.
Изучить рост и развитие древесно-кустарниковых насаждений на отвалах отсыпанных технической смесью пород.
4. Обосновать проектное решение по облесению отвала № 5 Михайловского ГОКа.
Научная новизна исследований. Выявлены возможности возделывания на вскрышных породах новых видов трав и кустарников (пайзы, козлятника, боярышника и шиповника), изучено формирование корневой и надземной частей трав и плодово-ягодных кустарников. Определено качество продукции фитоценозов. Впервые проведена оценка роста и развития, созданных на отвалах МГОКа древесных насаждений вступивших в фазу формирования древостоя и разработана схема создания древесно-кустарниковых насаждений в техногенных ландшафтах Михайловского ГОКа.
Практическая значимость работы. Установленные возможности роста и развития перспективных травянистых растений и древесно-кустарниковых пород на отвалах Михайловского ГОКа могут быть использованы при создании фитоценозов в техногенных ландшафтах КМЛ, что позволит улучшить их устойчивость и состояние окружающей среды.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и
получили положительную оценку на научно-практической конференции
Курского отделения Докучаевского общества почвоведов (Курск, 2003 г.),
межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и
специалистов, посвященной 90-летию Воронежского аграрного университета
им. К.Д. Глинки (Воронеж, 2003 г.), всероссийской научно-практической
конференции "Агроэкологические проблемы Центрального Черноземья"
(Курск, 2004 г.), всероссийской научно-практической конференции "Проблемы
развития сельского хозяйства Центрального Черноземья" (Курск, 2005 г.),
международной научно-практической конференции "Экология
фундаментальная и прикладная" (Екатеринбург, 2005 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи.
Личный вклад автора состоит в разработке научной гипотезы и программы исследований под руководством научного руководителя доктора с.-х. наук, профессора А.И. Стифеева. Все научные исследования, расчеты,
б обобщение и анализ экспериментального материала, выполнены лично автором.
Положения, выносимые на защиту:
Оценка естественного травостоя молодых отвалов МГОКа из лессовидных суглинков и глины келловея.
Возможность искусственного возделывания культурных трав и плодово-ягодных кустарников на отвалах вскрышных пород МГОКа и определение качества продукции.
3. Состояние искусственных посадок древе сно-кустарниковой
растительности на породах и технических смесях.
4. Разработка проектного решения по облесению отвала № 5 МГОКа.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 148
страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству, списка литературы, включающего 197 наименований, в том числе 27 на иностранных языках, содержит 10 рисунков, 23 таблицы, 4 приложения.
Возможные направления рекультивации земель за рубежом
Первые попытки по вовлечению техногенных ландшафтов в народнохозяйственное использование проводились в исторически сложившихся промышленных районах таких стран как Германия и Англия.
Германия является страной с самой высокой в мире долей добычи угля открытым способом (Н. Engels, 1967). В 1964 году она составила 85,3% (F. Jonas, 1972). Уже в середине 70-х годов в Германии имелось свыше 30 тыс. га земель нарушенных добычей нерудного сырья (Л.В. Моторина, В.А. Овчинников, 1975). Первые работы по восстановлению территорий, нарушенных горными работами, были проведены в Германии в 1766 году, когда впервые в мире были проведены посадки древесных пород на отвалах горнорудных предприятий (Е. В riming, 1962). В 1923 г было облесено акацией белой, сосной обыкновенной и ольхой черной 242 га отвалов Рейнского буроугольного бассейна, а к 1943 г эти площади были увеличены до 1700 га. Преобладание лесохозяиственного использования нарушенных территорий сохраняется в Германии и в настоящее время.
Основная цель рекультивации территорий нарушенных деятельностью горнодобывающих предприятий Германии является создание ландшафта, максимально приближающегося к природному. Для этого отвалы покрывают почвой, вносят удобрения и высевают многолетние бобовые травы, весь урожай которых запахивают на удобрение. После этого проводят посадку местных древесных пород с небольшой примесью экзотов. Широко практикуются густые посадки, при которых густое сплетение корневых систем ускоряет подготовку почвенного профиля. Получены удачные производственные посадки с тополем, ольхой серой и черной, буком, лиственницей, дубом, березой и рядом других пород (Н. Engels, 1967).
В Великобритании в результате открытых разработок полезных ископаемых и строительных материалов ежегодно теряется около 20 тыс. га плодородных земель (К. Уолворк, 1979). Первые упоминания о проведении рекультивационных работ в Великобритании относятся к концу XIX века. За первую четверть XX века было облесено уже 33 га нарушенных территорий (MX Wise, 1962).
В последующие годы правительством Великобритании был принят ряд законодательных актов, в той или иной мере стимулирующих практику восстановления нарушенных земель, и, прежде всего, с финансовой помощью государства (John Е. Cassidy, 1980). Так после отсыпки отвалов горнодобывающие предприятия должны обязательно проводить их планировку (В.П. Дробаденко,1987).
В настоящее время при проведении работ по восстановлению нарушенных территорий наибольшее распространение получила сельскохозяйственная рекультивация и использование отвалов в целях градостроительства (Е. Brier, 1981).
А.Н. Fitton, I. Gions (1959) считают, что травы необходимо высевать сразу же после окончания формирования отвалов. При выращивании трав необходимо практиковать сенокошение. Пастьба скота отрицательно сказывается на плодородии грунтов.
Выведением растений, устойчивых к вредным компонентам хвостохранилищ, занимается Ливерпульский университет (А.А. Мазуров, 1975).
В США работы по рекультивации отвалов были начаты в 1918 году. В штате Огайо были засеяны клевером площади отвалов угольных разработок. В штате Индиана был заложен фруктовый сад и высажены лесные культуры (G. A. Limstrom, 1960, 1964; G.L. Lowry, F.S. Brokan, G.H. Breeding, 1962; W.A. Knabe, 1964). В настоящее время в штате Индиана ежегодный отвод земель под разработки угля составляет около 8 тыс. га земель (L.B. Sawer, 1962), Только за период 40 - 80-х г.г. прошлого столетия в США горными разработками были нарушены почти 1,6 млн. га земель.
В основном, на нарушенных землях создаются пастбища и смешанные лесные насаждения с применением большого ассортимента растений и разнообразных агро- и гидротехнических приемов, вплоть до гидропосева семян (John Е. Cassidy, 1980).
Для улучшения свойств грунтов и роста культур применяются органические удобрения, минеральные добавки (азот, фосфор, известь), а также мульча в виде сена, соломы, коры деревьев, стружки древесины, переработанной бумаги, а также органика местных сельскохозяйственных и промышленных отходов (W.T. Plass, 1978).
Во многих штатах проводится лесная рекультивация нарушенных земель (G. A. Limstrom, 1960, 1964; L. Jurgens, 1972). Большинство авторов проводили исследования по подбору пород. К наиболее перспективным видам были отнесены акация белая, ольха серая и черная, способствующие накоплению азота в насыпных грунтах. В посадках древесных пород используются так же оливковое дерево, ложный индиго и сосна обыкновенная. Деревья и кустарники высаживаются саженцами и высеваются семенами, используется также гидропосев, а в горных районах посев с вертолетов.
В условиях горных районов южных Аппалачей получены положительные данные по использованию при биологической рекультивации овсяницы, райграса, ежи сборной, на севере - свинороя пальчатого, а также зерновых культур - пшеницы, овса, ржи, японского проса и суданской травы, из бобовых - клевера и вики.
L. Jurgens (1972) отмечает хорошую приживаемость тополя гибридного, ольхи серой и некоторых видов оливковых на отходах угольных разработок с сильно кислой реакцией среды. Всего им выявлено около 50 видов растений, пригодных для биологической рекультивации сильнокислых субстратов. Для рекультивации железорудных отвалов, имеющих очень легкий гранулометрический состав и щелочную реакцию среды (рН до 8,1) предлагается использовать посевы злаково-бобовых травосмесей - люцерны, клевера ползучего, райграса, тимофеевки и ежи сборной.
Исследования качества и плодородия субстратов отвалов угледобывающих предприятий Болгарии были начаты в 60-х годах XX в. учеными института почвоведения им. Пушкарова. Для целей лесного хозяйства и рекреации исследования были продолжены в дальнейшем учеными Лесотехнического университета (Р. Петрова, С. Генчева, М. Петров, 2003).
Естественное зарастание свежеотсыпанных отвалов КМА
На нарушенных промышленностью землях, к которым относятся отвалы вскрышных пород Михайловского железорудного месторождения, представленных субстратами, не имеющих аналогов в природе, фитоценозы начинают создаваться с момента их формирования. Появление растительных видов идет по типу первичных сукцессии (А.Г. Воронов, 1973), поскольку субстрат отвалов не содержит диаспор растений, то есть он практически стерильный. Сформировавшиеся в процессе самозарастания отвалов фитоценозы - результат сложного взаимодействия зонально-климатических и конкретных экологических условий (чем они благоприятнее, тем ближе к зональному типу происходит образование фитоценозов). Флористический состав их в значительной степени определяется эдафическими условиями (П.Д. Ярошенко, 1969).
Для характеристики процессов самозарастания отвалов вскрышных пород Михайловского ГОКа были проведены ге о ботанические описания плато 2-летних отвалов глины келловея и лессовидных суглинков, на которых производился посев культурных видов трав и посадка плодово-ягодных кустарников. Видовой состав травянистых растений произрастающих на 2-летних отвалах МГОКа и их латинское название приведены в приложениях 1 и 2.
Всего на обследованных 2-летних отвалах отсыпанных лессовидными суглинками и глиной келловея обнаружено 30 видов травянистых растений относящихся к 12 семействам. Наиболее многочисленно представлены семейства астровые - 9 видов, мятликовые - 5 видов, капустные и сельдерейные - по 3 вида. Древесные виды на отвалах данного возраста не обнаружены. Доминирующими видами на обследованных отвалах являются
мать-и-мачеха, клевер луговой, тысячелистник обыкновенный, хвощ полевой и одуванчик лекарственный.
На 2-летнем отвале, отсыпанном лессовидными суглинками, насчитывается 23 вида растений из 9 семейств. Наиболее многочисленны растения семейств астровые - 9 видов, мятликовые и капустные - по 3 вида. Наибольшая встречаемость отмечена у мать-и-мачехи обыкновенной - 77%, одуванчика лекарственного - 60%, клевера лугового - 54 % и тысячелистника обыкновенного - 50%. На 2-летнем отвале, отсыпанном глиной келловея, насчитывается 26 видов растений из 11 семейств (наиболее многочисленны семейства астровые - 9 видов, мятликовые и сельдерейные - по 3 вида). Наибольшая встречаемость отмечена у мать-и-мачехи обыкновенной - 80%, клевера лугового - 65% и одуванчика лекарственного - 50% (рис. 3).
На состав растительных группировок отвалов значительное влияние оказывают кроме свойств горных пород, отсыпанных в отвалы, другие абиотические и биотические факторы. В частности большое значение имеет размер и видовой состав близлежащих фитоценозов, способ распространения составляющих их растений (вегетативное или семенное), преобладающее направление ветра, а также климатические условия территории. Все эти факторы объясняют преобладание рудеральной и сорной растительности на начальных этапах формирования естественных фитоценозов отвалов.
Необходимо заметить, что, несмотря на то, что в целом глина келловея обладает менее благоприятными водно-физическими свойствами по сравнению с лессовидными суглинками, установленное видовое разнообразие естественных фитоценозов 2-летнего отвала МГОКа, отсыпанного лессовидными суглинками, меньше такового на аналогичном отвале, отсыпанном глиной келловея. Этот факт также подтверждает значимость влияния на формирование естественных фитоценозов факторов внешней среды, не связанных со свойствами горных пород.
Основу естественной травянистой растительности, поселяющейся на 2-летних отвалах МГОКа, составляют широко распространенные сорные растения. Они обладают высокой жизнеспособностью и рядом биологических адаптивных свойств: хорошей способностью приспосабливаться к неблагоприятным условиям произрастания, более быстрым ростом, укороченным вегетационным периодом, большой энергией размножения и т.д.
Среди растений, произрастающих на обследованных отвалах можно выделить и лекарственные виды - горец птичий, тысячелистник обыкновенный, лапчатка прямостоячая, мать-и-мачеха, хвощ полевой, одуванчик лекарственный. Хорошими медоносами являются репейник войлочный и чина луговая. К кормовым видам относятся мятлик луговой, ежа сборная, чина луговая. Основные геоботанические характеристики фитоценозов сформировавшихся на обследованных молодых отвалах МГОКа приведены в табл.3.
Естественное возобновление плодово-ягодных кустарников на отвалах МГОКа
Первым и необходимым этапом в работе по биологическому восстановлению территорий нарушенных горной промышленностью является изучение физико-химических свойств субстратов и сообществ естественной растительности, формирующихся на отвалах и карьерах промышленных месторождений полезных ископаемых. Выявление растений, способных приспосабливаться к произрастанию в таких специфических условиях способствует подбору ассортимента их видов для проведения биологической рекультивации и созданию устойчивых фитоценозов.
Исследования естественно расселившихся растений облепихи и шиповника проводились на 25-летнем отвале Михайловского железорудного месторождения, отсыпанном лессовидными суглинками и технической смесью пород с октября 2002 г. по октябрь 2004 г. включительно. В результате проведенного обследования было установлено, что произрастание облепихи в основном приурочено к слонам отвала. На плато происходит межвидовая конкуренция между растениями, отмечено вытеснение облепихи березой, осиной и другими древесными видами. Растения шиповника, как более светолюбивые также не могут выдержать конкуренции со стороны более теневыносливых пород и в основном заселяют склоны отвала.
Чаще всего облепиха произрастает в виде отдельных групп, состоящих из довольно мощных кустов, средняя высота которых в возрасте 7-8 лет составляет 1,8 м. Женские экземпляры облепихи крушиновидной ежегодно обильно плодоносят. Шиповник имеет более низкую встречаемость. В целом на поверхности отвала отмечено всего две микрогруппировки с его произрастанием. Для оценки роста естественно расселившихся растений облепихи и шиповника нами проводились измерения высоты растений, диаметра кроны и ствола (табл. 13). Из данных таблицы видно, что растения облепихи более развиты, чем растения шиповника. Максимальная высота растений облепихи составила 2,65 м, что на 0,8 м больше, чем у шиповника. В первую очередь это объясняется особенностями биологии самих плодово-ягодных кустарников.
Для более полной характеристики развития естественно произрастающих в техногенном ландшафте МГОКа плодово-ягодных кустарников нами проводилось исследование их корневой системы в горизонтальном простирании и развитии ее в глубину. Раскопку корней проводили на глубину 40 см по слоям в 10 см у растений 8-летнего возраста. Взвешивание корней показало (табл. 14), что свыше 70 % корневой массы облепихи сосредоточено в верхнем 10 см слое, и почти 95 % в слое 0-20 см. У шиповника в слое 0-10 см находится 63,5 % корневой массы, что на 6,5% меньше, чем у облепихи. В тоже время, в слое породы 20-40 см у шиповника развивается более 6 % корневой массы, а у облепихи 5,1 % от общей массы корней. Кроме того, на корнях растений облепихи отмечено образование большого количества актшгомицетов, в среднем около 400 штук на одном растении.
Исследования корнеотпрысковой способности кустарников облепихи и шиповника показали, что наибольшее количество корневых отпрысков имеет облепиха (табл. 15). Причем максимальное удаление порослевых кустиков от материнского растения у облепихи составляет 3,4 м, у шиповника - 0,9 м, Образование поросли за пределами куста у плодово-ягодных кустарников способствует повышению устойчивости этих растений в природных сообществах.
Учет урожайности плодово-ягодных кустарников проводился на каждом растении отдельно. Сбор урожая осуществлялся в 2002 - 2004 гг. после созревания плодов. Данные учета показали, что средняя урожайность облепихи за три года составила 4,2 кг с одного растения, шиповника - 0,18 кг соответственно. Результаты анализа содержание тяжелых металлов в плодах облепихи и шиповника, естественно произрастающих на вскрышных породах МГОКа приведены в приложении 4.
Засухо- и морозоустойчивость облепихи, высокая экологическая пластичность, способность давать корневые отпрыски (которые уже в первый год достигают высоты 14-25 см), переносить частичное оголение корневой системы и наличие азотофиксирующей актшюмицетовой системы на корнях, обуславливают ее высокие лесомелиоративные свойства, что позволяет успешно использовать облепиху при биологической рекультивации земель, нарушенных деятельностью горнодобывающих предприятий. Корневая система шиповника колючего состоит из корней и подземных побегов - корневищ. Разрастаясь в стороны корневища, дают корнеотпрысковые побеги и кусты, взаимосвязанные менаду собой, которые впоследствии образуют микрогруппировки. По всей подземной длине корневищ образуются придаточные корни, что способствует закреплению склонов отвалов и карьеров от водной и ветровой эрозии.
