Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологические условия отвалов Кузбасса 7
1.1. Природные условия Кузбасса 7
1.2. Нарушенные земли в Кузбассе 17
1.3. Экологические особенности отвалов 22
Глава 2. Характеристика сосны обыкновенной как объекта лесной рекультивации 35
2.1. Экологические особенности сосны обыкновенной 35
2.2. Опыт лесной рекультивации в Кузбассе 40
2.3. Использование сосны в рекультивации нарушенных земель .. 48
Глава 3. Объекты и методика исследований 58
3.1. Объекты исследований 58
3.2. Изучение агрохимических и агрофизических свойств эмбриоземов 59
3.3. Изучение жизненного состояния 60
3.4. Изучение роста и продуктивности насаждений 61
3.5. Изучение корневых систем 66
3.6. Способы обработки полученных результатов 67
Глава 4. Экологические особенности сосновых насаждений 68
4.1. Описание пробных площадей 68
4.2. Почвенно-экологическая характеристика 86
4.3. Сохранность и общее жизненное состояние культур 93
Глава 5. Экологические особенности роста и продуктивности сосновых насаждений 103
5.1. Линейный прирост и бонитет насаждений 104
5.2. Радиальный прирост и факторы его формирования 111
5.3. Продуктивность сосновых насаждений 124
Глава 6. Влияние экологических условий на формирование корневых систем сосны 130
Глава 7. Общие закономерности влияния экологических условий на формирование сосновых насаждений 150
Выводы 155
Список литературы 157
- Экологические особенности отвалов
- Использование сосны в рекультивации нарушенных земель
- Изучение роста и продуктивности насаждений
- Радиальный прирост и факторы его формирования
Введение к работе
Актуальность. Добыча полезных ископаемых сопровождается серьезными экологическими изменениями почв и растительного покрова. При этом уничтожается почвенный покров вплоть до геологического фундамента, растительный покров, нарушается гидрологический режим. В результате добычи каменного угля в Кузбассе нарушено около 100 тыс. га земель, из них большую площадь занимают отвалы вскрышных пород. Специфика отвалов состоит в том, что экологические условия формирующихся на них эмбриоземов существенно отличаются от зональных в сторону олиготрофности и ксероморфизма, поэтому число видов растений, способных успешно произрастать здесь, в значительной степени ограничено. Опытами по отбору установлено, что одним из пригодных видов является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) (Бурыкин, 1973; Баранник, 1988; Данько, 1990; Чибрик, 2003).
Поэтому изучение экологических особенностей произрастания сосны на отвалах чрезвычайно актуально для разработки научных основ лесной рекультивации отвалов.
Цели и задачи исследований. Цель настоящей работы - изучение влияния экологических условий на состояние насаждений сосны обыкновенной {Pinus sylvestris L.) на отвалах Кузбасса.
Для реализации данной цели поставлены следующие задачи:
1. Изучить экологические условия произрастания сосновых
насаждений на отвалах вскрышных пород;
Оценить жизненное состояние сосновых насаждений на отвалах;
Установить влияние экологических условий отвалов на линейный и радиальный прирост древесины сосны;
Определить продуктивность сосновых насаждений на отвалах;
5. Проанализировать влияние эдафических условий отвалов на
морфологию корневых систем сосны обыкновенной.
Защищаемые положения.
1. Экологические условия, складывающиеся на отвалах,
соответствуют эколого-биологическим особенностям сосны обыкновенной {Pinus sylvestris L.).
Состояние и рост сосны обыкновенной в искусственно созданных насаждениях на отвалах соответствует насаждениям в естественных условиях.
Снижение жизненных показателей сосны на отвалах связано с техногенными и агротехнологическими факторами.
Научная новизна. Впервые проведены исследования по изучению влияния экологических условий на формирование сосновых насаждений в условиях отвалов вскрыши Кузбасского угольного бассейна. Показано, что формирование насаждений II класса возраста (более старших возрастов на отвалах еще не сформировано) не отличается от такового на зональных почвах. Установлены основные экологические факторы, влияющие на жизненное состояние, показатели роста культур и формирование корневых систем. Определены наиболее благоприятные параметры экологических условий для роста и продуктивности сосновых насаждений на отвалах.
Практическая значимость. Обоснованы экологические параметры применения сосны обыкновенной для целей биологической рекультивации с учетом. Доказана необходимость сокращения посадок облепихи совместно с сосной как недолговечной и пожароопасной культуры. Выявлены оптимальные параметры густоты для формирования продуктивных насаждений, повышения их биологического разнообразия и скорости почвообразовательного процесса. Полученные результаты используются в проектах по биологической рекультивации по отдельным отвалам Кузбасского угольного бассейна. Они также могут быть использованы в учебных курсах по экологии растений.
Апробация работы. Результаты данной работы были представлены на IV Международном интернет-семинаре «Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири» (Томск, декабрь 2008 г.), докладывались на II Международной конференции «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 24-25 ноября, 2009 г.), IV Международной научной конференции «Проблемы изучения растительного покрова Сибири» (Томск, 1-3 ноября 2010), Всероссийской научной молодежной школе-конференции «Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных промышленностью земель» (Екатеринбург, 24-27 мая 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 статьи в журналах, определенных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 9 таблиц, состоит из введения, 7 глав, выводов. Список литературы включает 182 наименования, в том числе 19 источников на иностранных языках.
Экологические особенности отвалов
Условия произрастания лесной растительности на отвалах вскрышных пород существенно отличаются-от таковых-на обычных лесных территориях. Эти условия определяются совокупностью природных и техногенных факторов. К природным факторам относятся атмосферные осадки, инсоляция, горногеологические условия, скорость разрушения, горных пород в процессе выветривания (образования элювия) и уровень их потенциального плодородия. К техногенным факторам относятся образованный рельеф, плотность сложения техногенного элювия горных пород, ориентация элементов рельефа. На рис. 1.3.1 приведена схема причинно-следственных связей этих показателей при формировании экологических условий на отвалах угольных разрезов (Баранник, 2005).
Хорошим индикатором на комплекс экологических условий отвалов является естественное лесовозобновление, а также рост и состояние производственных и опытных лесных культур (Баранник, 1973; Тарчевский и др., 1970; Лукьянец А.И., Махонина, 1975; Чибрик и др., 1980). По требовательности к эдафическим ресурсам все растения разделяются на трофические группы: мега -, мезо -, эври — и олиготрофы. Деревья и кустарники в большинстве своем являются эври — и олиготрофами (Бакланов, Повх, 1990). Виды, биологические особенности которых наиболее соответствуют олиготрофным условиям отвалов - сосна и облепиха (первая -благодаря симбиозу с высшими грибами, вторая — с корневыми микомицетами) - способны полностью обеспечивать себя азотом, растворять труднодоступные запасы фосфора, и вследствие этого преодолевать действие ограничивающего фактора (низкого плодородия). Поэтому различия в росте являются в большей мере индикаторами других ограничивающих факторов водного режима; аэрации, температурного режима, уплотнения грунта и др.
Согласно принципам экологического; направления- в- лесной типологии, развиваемым академикомTL.C. Погребняком и профессором Д. В; Воробьевым, каждое местообитание на отвалах оценивается по плодородию (трофотоп) грунтосмесей и грунтов и режиму увлажнения (гигротоп), а сочетание трофотопа и гигротопа определяет тип условий произрастания на отвалах (Данько, 1975).
В соответствии с разработанной шкалой плодородия вскрышньгх пород, проведенной Лабораторией рёкультивациигпочв ИПА GO- РАН; выделяются 4 группы породных грунтов: I - плодородные; II — потенциально: плодородные, но) .бедные; азотом; Щ- малоплодородные (ограниченно; пригодные); ТУ— непригодные, токсичные (Попов; Рагим-заде, Трофимов, 1970).I іруппа лесопригодности - лессовидные карбонатные; суглинки; а также складированный; в ютвалы плодородный слой почвы. II группам— техногенные элювии алевролитам песчаного; алевролита: мелкозернистого; глина алевролитовая;, глина карбонатная; Эти? грунты проявляют свое: потенциальное плодородие только, врыхл ом) сложении. .При; уплотнении их до твердости более: 20 кг/см оно« не реализуется, т.к.: снижаются запасы влаги И: аэрация; Щ уплотненном; состоянии грунты Ш группы переходят1 вразряд Шгруппы. III группа — элювии песчаников полимиктового, гематизированного алевролитистого, пирогенныйг конгломерат, кальцитовая бурая глина. Элювии песчаников; являются по мехсоставу песками и супесями; не подвержены сильному уплотнению. Уплотнение кальцитовой бурой глины превращает ее в непригодную породу.. IV группа — пиритосодержащие горные породы, твердые скальные породьіі не подвергающиеся физическому выветриванию. Основные породы вскрыши угольных месторождений Кузбасса представлены элювиями аргиллитов, алевролитов,, песчаников . и четвертичными покровными суглинками различной мощности. Последние обладают наиболее благоприятными. физико-химическими и . водно физичёскими;свойствами и являются потенциально плодородными породами. Подавляющая часть элювиев» осадочных пород не имеет токсичных компонентов и пригодна для естественного поселения; растительности (Попов, Рагим-заде, Трофимов, 1970), а ареалогическое сравнение четвертичных: пород и пермских песчаников,алевролитов; и аргиллитов показывает идентичность экологических групп растений-пионеров, формирующихся , при естественном зарастании отвалов. (Доронькин; Ламанова; 1996, Ламанова, 1998). Таким образом; на начальном этапе условия произрастания растений по трофотопу складываются! примерно одинаковые.
Использование сосны в рекультивации нарушенных земель
Первые работы по озеленению террикоников; в GGGP начаты в 1948-1950 гг. Вэтих первых работах по рекультивации было проведено испытание древесных пород на отвалах различных месторождениях.; полезных ископаемых. Установлено; что условия для развития растительности очень неблагоприятны и только некоторые виды; растений могут; развиватьсяіна поверхности террикоников (Шалыт, 1956; Данько, 1975; Чеклина, / Савич, 1967). Одним из этих немногих древесных видов, способным успешно произрастать на; отвалах вскрышных порода оказалась сосна обыкновенная;
В Донбассе опыт применения/ сосны в \ рекультивации; : нашел отражение. -в:. публикациях. сотрудников: ; Днепропетровского сельскохозяйственного института. ш: Днепропетровского госуниверситета, .Донецкого- ботанического сада (Волошин,... 196.1"; Рёва; Бакланов; 1972; Масюк; 19743.. 1975; Добровольский; \; 1980; . Экологотэкономичёские аспекты..., .1980;; Промьішленная: ботанцка.. 1981; Еретевская ш др , 1982; Бакланов;,Иовх,Д990;:: Бекаревич; Масюк, Чабан;, 1992); .Л Разработанные : для; нефитотоксичньгх.. элювиев горных пород технологии: предусматриваютсоздание:сосновьгх культуру разного целевого назначениябез: стадии подготовительного насаждения;, в целях с процесса лесовыращивания \ на 15:—20лет; ..;,; В районах правобережнош степш Южного АИолесья- наиболее предпочтительными для лесной рекультивации древесными породами оказались сосна; обыкновенная,, сосна чёрная, сосна.крымская, наряду с березой пониклой, акацией белой ольхой чёрной и другими. (Способы лесной рекультивации ...; 1978). Культуры сосны, созданные на .отвалах харьковских легких глауконйтовых суглинков, пестро-цветных глин неогена, четвертичных суглинков и песков показывают нормальные рост и развитие; прирост стволовой древесины протекает по 1а — II классам бонитета. (Зайцев, Моторина, Данько, 1977).
:Для бедных. грунтов отвалов в: УкрНИИЛХА разработаны схемы. совместной посадки . сосны с ольхой, которая выполняя роль фитомелиоранта, существенно повышает рост основной породы (Панков, 1991). Эффективным способом посадки сосны на железорудных шламах Криворожского бассейна:. оказалось создание посадочных ям с добавлением .2-4 кгчерноземой почвы (Ефанов,1974); Способ минимального землеванйяв определенной:. степени находит применение; в практике, рекультивационных работ, проводимых в опытном порядке на некоторых типах отвалов перерабатывающей промышленности (Иикалова, 1974). :
.Старейшим промышленным регионом нашей;страны, где также;остро? встала проблема.рекультивации нарушенных земель, является Урал.і Здесь, под руководством основателям промышленной? ботаникш B;BL Тарчевского,, установлено- значительное негативное:- влияние техногенно: нарушенных, территорий, возникающих, в результате производственной? деятельности;. предприятиш /Радикальным? средством устранения? негативных- пЬследствиш-явилось покрытие .таких земель растительностью , создание на} них культурныхфитоцёнозЪв (Тарчевский, /1959;;1964j 1970; їїорчаковский], 1968;:. Чйбрик,Л979 992Щ Сотрудниками) Уральского университета, . Уральского ботанического; сада; и Института / горного дела; изучены- различные, виды, техногенно нарушенных;земель, установлены закономерности естественного зарастания;. разработаны и внедрены; различные технологические приемы облесения отвалов; (Колесников, .. 1974; Махонина, Чибрик,1974 ; 1975;. Шилова, Логинова; 197.4; Шилова,:Терехова, Лукьянец, 1980);
Первые опыты по внедрению сосны обыкновенной на? терриконниках Урала заложены-\ в конце 50-х годов; Уже в 70-е "годы описаны высокопродуктивные насаждения на песчаных карьерах южнотлесостепи
Челябинской области. Здесь, несмотря- на неустойчивый водный режим (годовое количество осадков от 250 до 400 мм в год), рост сосны протекает по I - II классам бонитета (Лукьянец и др., .1975). Эффективным приемом оказалась подсадка сосны при реконструкции естественно поселившихся малоценных молодняков, для более, полного учета естественного восстановления (Лукьянец, 1974А).
Работами А.Г. Лукьянца (1975) проведено» изучение формирования корневой системы сосны на отвалах /Богословского и . Вёсёлрвского буроугольных месторождений. На нетоксичных породах корневая система естественно поселившихся сосняков развивается нормально: и по фитомассе не уступает соснякам естественных лесорастительных условиях. При; этом. фйтомасса подземной части составляет в среднем 28 3% от общей фитомассы дерева тогдакак в естественных условияхэтотпрказатель составляет..19г22 % (Баранник, Ї988; stonen, 2002):
Подробно? . изучен, на отвалах Урала процесс естественного; возобновления ; сосны. ; Вї; зависимости; наличия- источников семенного:-: : возобновления,; доля возобновления сосны;; ві лесных; районах крлеблётсжрт 30 до? 80 %,; .. вС ряде: случаев сосна- выступает: эдйфикатором! лесного сообщества: (Лукьянец, і974Б);Недавние: исследование.самовозобновления старовозрастных; (более:45/ лёт) участков? показалщ; что? высотам единичных сосет составила 18 щ максимальный диаметр. 37 смс(средний; диаметр — . .Й Гс К о/--.ч- л .: ;0дной.- из; главньщ, лесообразующих; породе соснам выступает на: золоотвалах тепловых. .электростанций:. (Махнев . Чибрик, и др:, 2002)Г Исследования! показали, наилучшую срхранностьі; сосны по сравнению) с другими видами,-а поскорости ростаона уступает только березе повислой. Эффективным способом: посадки оказался траншейный метод с: нанесением: плодородного субстрата: мощностью 0,4-0,6 м и использованием совместно с сосной мелиоративных кустарников;- рябины обыкновенной; вишни Бессея
Изучение роста и продуктивности насаждений
Примерно такое соотношение мелкозема и глинистых фракций прослеживается на пробных площадях. По данным А.Я. Орлова и СП. Кошелькова (1977), подобный фракционный и гранулометрический состав характерен для почв естественного ареала произрастания сосны, где сосна избегает почв утяжеленного механического состава, тяготея к кристаллическим породам, песчаникам, известнякам, алевролитам. Многочисленные исследователи (Зайцев, 1931; Миронов, 1965; Габеев, 1982) - указывают, что наиболее продуктивные насаждения сосны (1а, I и II классов бонитета) формируются на почвах с содержанием 9-13% физической глины.
В азотном питании сосны существенное значение играет ее микотрофность. В первые два года роста саженцев на отвалах микориза выражена слабо, чем объясняется отставание культур в росте. Обильной микоризой корни покрываются на третий-четвертый год. К 20-ти годам микоризность хорошо выражена у всех моделей, равномерно распределяется по профилю эмбриозема. Деятельность поверхностного (эпифиозного) мицелия дополняется действием огромной сети внекорневого мицелия, пронизывающего всю толщу эмбриозема. На отвалах в условиях высокой порозцости, легкого механического состава, микориза развивается весьма обильно и компенсирует недостаток азота.
Сосна потребляет калия и фосфора приблизительно вдвое меньше, чем другие хвойные породы, и в 3-4 раза меньше, чем лиственные (Кошельков, 1969). При этом зависимость продуктивности сосны от содержания в верхнем корнеобитаемом горизонте доступных форм фосфора и калия, как правило, не проявляется: одинаково продуктивные насаждения произрастают как на плодородных черноземных почвах, так и на бедных дерново-подзолистых почвах ленточных боров Алтайского края (Заблоцкий, Баранник, 2000). Одними из основных критериев оценки лесных культур являются их сохранность и жизненное состояние. В классическом лесоводстве эти характеристики, как правило, используются при оценке лесохозяйственного значения насаждений в аспекте их последующего производственного использования. При оценке насаждений на рекультивированных отвалах вскрышных пород, или других техногенных образований, или, в общем смысле, территорий, на которых проведена лесная мелиорация, сохранность и жизненное состояние выступают как одни из критериев эффективности проведения работ по лесомелиорации, обоснованности ее методов и приемов, подбора древесных видов, а также соответствия комплекса условий произрастания биологических особенностям этих видов.
Создание искусственных насаждений с использованием сосны обыкновенной на участках рекультивации приурочено к концу 60-х — началу 70 гг. Применяемые в тот период методики, взятые из классического лесоводства, дополнялись новыми теоретически обоснованными подходами, касающимися подбора древесных пород, норм высадки, сроков и способов посадки, создания одновидовых или многокомпонентных насаждений. Опыт проведения таких работ в Кузбассе позволяет всесторонне рассмотреть факторы сохранности сосновых культур, их продуктивности и устойчивости к неблагоприятным условиям произрастания.
Сохранность лесных культур связана, в первую очередь, с их приживаемостью. Многолетними наблюдениями за приживаемостью посадок сосны позволяют выявить следующее. Лучшая приживаемость выявлена при весенних сроках посадки — в этом случае саженцы успевают развить дополнительный фотосинтезирующий аппарат и укорениться. Осенние посадки уходят в зиму менее подготовленными, что приводит к большему отпаду. В весенний период решающее значение имеют погодные условия в период посадки, состояние посадочного материала: подсушивание корней, посадка в слабоувлажненный грунт, посадка саженцев, вступивших в фазу вегетации, неизбежно приводят к увеличению отпада.
Существенным фактором сохранности является происхождение посадочного материала. Для отвалов Кузбасса лучшими приживаемостью и показателями роста в первые годы жизни имеют саженцы, выращенные на супесчаных и песчаных почвах. Таковым является посадочный материал, выращенный на супесчаных дерново-под золистых почвах Алтайского края, в сравнении с саженцами местных питомников с тяжелосуглинистыми черноземными почвами, т.к. агрохимические, водно-физические и физико-химические характеристики боровых дерново-подзолистых почв, как показал анализ почвенно-экологических характеристик (подглава 4.2), более сопоставимы с условиями, которые складываются на каменистых элювиях горных пород с низким содержанием мелкоземных и глинистых фракций.
Определить степень сохранности исследуемых насаждений можно чисто умозрительно, т.к. конкретные данные о первоначальной густоте отсутствуют. Известно, что в период закладки насаждений в 70-х гг. применялась различная норма высадки культур, от 2,5 до 8-10 тыс. шт/га (Калинин, 1974, Баранник, 1981). Поэтому возможно, с большой долей уверенности, говорить о сохранности насаждений, исходя из фактических густоты или общего проективного покрытия (ОПП).
Работы Л.П. Баранника (1988) показали, что умеренный отпад молодняка, происходящий в первые годы после посадки, способствует улучшению условий роста оставшихся, сохранению их жизненного состояния, повышению удельного прироста биомассы на каждое дерево за счет увеличения в ее структуре доли массы кроны. Лесоводственной ценности формирующиеся редины (пробные площади 12, 21) не представляют, однако они выполняют существенное экологическое значение в плане повышения структурности формирующихся сообществ и депонирования углерода.
Радиальный прирост и факторы его формирования
Другим важным агротехнологическим фактором, который необходимо рассматривать в аспекте влияния на радиальный прирост, является совместная посадка сосны с другими древесными видами. Как показывают описания пробных площадей, в Кузбассе часто практиковалось создание сосново-облепиховых насаждений. Эффект повышения прироста молодняков сосны от совместного произрастания с облепихой был отмечен еще Л.П. Баранником (1988). Так высокий прирост на ПП 9 и 13 может быть обусловлен мелиоративным эффектом облепихи. На ПП 13 облепиха активно вегетирует, а на 1111 9 - практически выпала из состава древостоя и, вероятно, высокий прирост здесь может быть результатом низкой густоты. Это подтверждается тем, что другие насаждения с участием облепихи (ПП №№ 7, и 12) не отличаются высоким средним и текущим приростом. С другой стороны, ПП 3 и 21, древостой которых также имеет радиальный прирост выше среднего, представляют собой одновидовые насаждения.
Поэтому утверждение о безусловном положительном влиянии облепихи на радиальный прирост молодых сосняков не подтверждается.
Широкий практический и теоретический интерес представляет собой еще одна важная характеристика радиального прироста — связь его величины с гидротермическими особенностями различных периодов года. Поэтому следует более конкретно остановиться на влиянии климатических факторов, которое может быть весьма существенным в зависимости от условий произрастания, обусловленных вариациями гидротермических условий на конкретном участке в течение ряда лет.
Рост годичного кольца сосны, в отличие от линейного прироста, более растянутый, однако его интенсивность в течение вегетационного периода неодинакова. Характерной особенностью его клеточной структуры, которая отражает периоды роста кольца в течение вегетационного периода, является существование слоев ранней и поздней древесины. В начале сезона вегетации формируются трахеиды большего радиального размера с тонкими стенками — ранняя древесина. Ближе к концу сезона формируются трахеиды меньшего радиального размера с более толстыми стенками — поздняя древесина. Клетки ранней древесины лучше приспособлены для проведения восходящих потоков жидкости, а клетки поздней древесины — для выполнения механической функции (Эсау, 1969).
В таблице 5.2.1 приведены коэффициенты корреляции (R) величины годичного радиального прироста с показателями сумм температур и осадков за последние 10 лет (с 2000 по 2009 гг.) на четырех пробных пробных площадях, расположенных в подзоне северной лесостепи. Достоверность тесноты связи обеспечивается нормальностью распределения рядов и фактической величиной -критерия.
Очень высокой тесноты связи между величиной годичного прироста и климатическими показателями не выявлено, высокая и средняя теснота связи. наблюдается с суммой эффективных температур в течение вегетационного периода - от 0,6 до 0,81. С суммой осадков корреляция слабая и очень слабая - от 0,1 до 0,47. Если брать тесноту связи с гидротермическим коэффициентом в целом — ее значения ниже, чем корреляция с суммой температур, но выше, чем с суммой осадков, и составляет от 0,26 до 0,56, т.е. слабая.и средняя градации.
Более дифференцированный результат показывают взаимосвязи между годичным приростом и гидротермическими показателями по месяцам в течение вегетационного периода. В его начале — в мае — средняя и высокая взаимосвязь прироста с температурой. В июне-июле теснота связи ослабевает, и снова возрастает в августе до средних значений. водный . баланс растений зависит от относительной интенсивности ; : поглощения воды и транспирации и, следовательно, находится под влиянием . : как почвенной, так и атмосферной влажности. Сосна, являясь ксерофитной . древесной . породой, способна извлекать влагу в условиях физиологической,. .. сухости; поэтому с, учетом климатических. условий Кузбасса критическое отношение к влаге может. проявляться : лишь в период максимального: роста древесины. ; Формирование годичного- кольца, его поздней; древесины ; Г происходит во второй половине вегетационного периода, поэтому в августе; при умеренном повышении: осадков в этот период наблюдается повышение , радиального , прироста, особенно в сухих, хорошо аэрируемых.
