Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Экологические последствия угледобычи (обзор проблемы) 6
Глава 2. Материалы и методика исследования 15
2.1. Обоснование выбора объектов 15
2.2. Методы исследования 20
Глава 3. Природные условия и техногенные факторы в районе угледобычи 25
3.1. Характеристика лесов 25
3.2. Промышленность региона 29
3.3. Нарушения земной поверхности 32
3.4. Техногенное воздействие на природную среду 37
Глава 4. Воздействие угледобычи на лесные экосистемы 43
4.1. Деградация лесов при подработке площадей шахтами 43
4.2. Последствия для лесов на старых горных отводах шахт 56
4.3. Состояние лесонасаждений на рекультивированных площадях шахт 60
4.4. Лесная рекультивация нарушенных угольными разрезами земель 67
4.5. Естественное восстановление растительности на нарушенных открытой угледобычей землях 70
4.5.1. Зарастание нарушенных земель в лесостепной зоне .70
4.5.2. Лесовозобновление на отвалах горных пород
в горно-таежной зоне 72
4.5.3. Естественное лесовозобновление как самодостаточный процесс 76
4.6. Воздействие открытых горных работ на прилегающие лесные территории 81
Глава 5. Экологический ущерб, связанный с изъятием лесных территорий под угледобычу, и воздействие на прилегающие лесонасаждения 91
5.1 Повреждаемость древостоев от ведения горнодобывающих работ 91
5.2 Оценка экологического ущерба в зоне Восточного Кузбасса 94
5.3. Лесоводственные меры по снижению экологического ущерба 98
Заключение 101
Выводы 104
Список использованных литературных источников 106
Приложения 115
- Обоснование выбора объектов
- Нарушения земной поверхности
- Естественное восстановление растительности на нарушенных открытой угледобычей землях
Введение к работе
Актуальності». Освоение угольных месторождений Восточного Кузбасса, где на сравнительно незначительной территории сконцентрированы многомиллиардные запасы угля, определяет неизбежную трансформацию естественных ландшафтов в техногенные. Существующие технологии добычи угля приводят к разрушению почвенного и растительного покрова земли, основных компонентов биосферы. Поэтому в районах угледобычи проблемы оптимизации экологической обстановки становятся жизненно необходимыми.
Нарушение земной поверхности, загрязнение атмосферы при буровзрывных, добычных и транспортных работах, кроме того, значительное фоновое загрязнение, вызванное выбросами и сбросами других отраслей промышленности, создаёт в совокупности напряжённую экологическую обстановку. Следует отметить, что степень негативного экологического воздействия на окружающую среду техногенных ландшафтов, возникающих при добыче угля, со временем не снижается, поскольку происходят кардинальные изменения биологических и почвенно-геохимических процессов, вызванных выносом на поверхность глубинных, не свойственных естественным ландшафтам горных пород. Даже если они в лучшем случае и не токсичны, то привнесение громадной массы инородного вещества вызывает перестройку всех компонентов биосферы, как правило, в худшую сторону.
Леса являются одним из важнейших факторов, оптимизирующих экологическую обстановку. Средообразующая функция растительности прямо пропорциональна биологической продуктивности, массе живого вещества. В этом плане древесная растительность в большей степени, чем луговая или культурная сельскохозяйственная, выполняет функции оптимизации природной среды, благодаря большей биомассе, охвату почвенно-грунтовой толщи, надземной высоте, долговечности, устойчивости против неблагоприятных факторов. Лес следует рассматривать как основной компонент природных комплексов, способствующий сохранению других жизненно важных составляющих биосферы - воды, воздуха и почвы (Протопопов, 1980).
Поэтому сохранение и воспроизводство лесов в экологически неблагополучных районах является одной из важнейших проблем охраны природы. При освоении новых территорий под строительство угледобывающих предприятий не в полной мере учитывается ущерб от деградации лесных экосистем, вызванной воздействием горных работ. В лучшем случае учитываются хозяйственные потери древесины от лесосводки, а влияние горнодобывающих работ на продуктивность, устойчивость, снижение природоохранных функций лесов обычно не принимают во внимание. Необходимость оценки влияния угледобычи на состояние лесонасаждений и определяет актуальность настоящей работы.
Целью работы является исследование влияния открытой (карьерной) и подземной (шахтной) угледобычи на лесные экосистемы на примере месторождений Восточного Кузбасса.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи: установить реакцию лесонасаждений на различные факторы воздействия: нарушение поверхности земли, иссушение (и/или заболачивание) почвенно-грунтовой толщи, изменение эдафических условий; оценить степень деградации лесонасаждений на подработанных шахтами территориях; выявить состояние (устойчивость) вторичных лесов, созданных на полях рекультивации шахт и разрезов; оценить состояние естественного возобновления на нарушенных при угледобыче территориях.
Научная новизна и практическая значимость. Впервые на основе лесоводственного подхода к оценке воздействия горнодобывающих работ на лесные экосистемы установлено, что зона влияния на леса распространяется за пределы горного отвода на значительные расстояния, а деградационные процессы продолжаются и после прекращения горных работ. Жизненное состояние лесонасаждений является интегральным показателем экологических условий угледобывающего района.
Результаты выполненных исследований могут быть использованы и уже частично используются: при разработке разделов «Оценка воздействия на окружающую среду» (ОВОС) проектов строительства угледобывающих предприятий; для оценки ущерба, возмещаемого угольными предприятиями лесному хозяйству; практические рекомендации необходимы для научного обоснования текущего планирования лесохозяйственной деятельности в зонах ведения горнодобывающих работ.
Защищаемые положения:
1. Горнодобывающие работы, сопровождающиеся нарушением земной поверхности и гидрологических условий, приводят к частичной или полной деградации естественных лесных экосистем как в границах горного отвода, так и на прилегающих территориях.
2. Искусственные лесонасаждения способны адаптироваться к изменившимся эдафическим условиям после угледобычи, поэтому восстановление лесов возможно и необходимо осуществлять путём целенаправленной лесной рекультивации нарушенных земель.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на первой и второй научно-производственных конференциях «Проблемы лесоводства и лесовосстановления на Алтае» (Барнаул, 2001 и 2002 г.г.), на конференции «Экологические проблемы угледобывающей отрасли при переходе к устойчивому развитию» (Кемерово, 2002 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 5 опубликованных работах.
6 Объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения, изложенных на 124 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 21 таблицу, списка литературных источников из 103 наименований.
Обоснование выбора объектов
Добыча угля как открытым (карьерным), так и подземным (шахтным) способом сопровождается нарушением естественных ландшафтов. При открытой угледобыче неизбежно происходит полное разрушение биогеоценозов, что обусловлено самой технологией работ, связанной с перемещением всей надугольной толщи. Воздействие на лесные экосистемы носит катастрофический характер - уничтожаются не только лесонасаждения, но и почвенно-грунтовый слой, на котором произрастали эти леса. Но этим не ограничивается воздействие открытых горных работ, они чреваты и другими последствиями. Проведение вскрышных и добычных работ сопровождается изменением экологических условий на прилегающей территории. Карьерная выемка создаёт депрессионную воронку понижением фунтовых вод, размеры которой зависят от глубины карьера и гидрологических условий месторождения. Буровзрывные, вскрышные, транспортные работы приводят к пылегазовому атмосферному загрязнению, распространяющемуся на окрестные территории. Иссушение и загрязнение прилегающих к угольному разрезу земель снижает продуктивность и устойчивость лесных экосистем. Однако при оценке природоохранных потерь от ведения горных работ угольными разрезами обычно учитывается только явный ущерб в пределах горного отвода (уничтожение почвенного и растительного покрова), негативное воздействие на прилегающие территории, как правило, игнорируется.
Восстановление лесов после открытых горных работ производится в процессе лесной рекультивации нарушенных земель. Созданные при этом лесонасаждения испытывают воздействие горнодобывающих работ неопределённо долгое время, поскольку находятся они в условиях техногенного ландшафта, образованного при добыче угля.
В некоторых относительно благоприятных лесорастительных условиях происходит естественное лесовосстановление. В связи с этим возникает вопрос о самодостаточности этого процесса, что решается путём сопоставления продуктивности вторичных фитоценозов с аналогичными по составу и возрасту лесонасаждениями на ненарушенных землях. Естественное лесовозобновление на нарушенных горными работами землях существенно отличается от такового в лесу, так как оно проходит в условиях и под воздействием техногенеза (Куприянов, Баранник, 1996). При подземной угледобыче воздействие на лесные экосистемы носит несколько иной характер. Также происходит разрушение почвенного и растительного покрова, но в зависимости от горно-геологических условий и технологии угледобычи этот процесс бывает разной интенсивности. В ряде случаев нарушения поверхности земли при просадке покровной толщи приводят к резкому (катастрофическому) усыханию лесов. При менее выраженных провальных явлениях на подработанных шахтами территориях леса могут сразу и не погибнуть. На начальной стадии они будут только снижать свою продуктивность, но в последующие годы естественные лесонасаждения продолжают деградировать, вплоть до полного усыхания.
Общая площадь земельных отводов шахт по Кузбассу составляет около 55 тыс. га (Малахов, 1997). Следует отметить характерную особенность - большая часть отводов (около 80%) сосредоточена в пределах селитебных зон. Объяснение этому единственное - населённые пункты (шахтёрские посёлки) строились на территории, отведённой под шахты. Поэтому большинство шахтных полей представляет собой конгломерат жилой застройки и подработанных площадей.
Естественных лесонасаждений на старых шахтах, построенных 50 и более лет тому назад, практически не сохранилось, хотя они там, в начале добычи, были. В этом случае судить о воздействии горных работ на леса трудно, так как здесь более сильным может быть антропогенный «пресс» (например, раскорчёвка леса под огороды). Такая ситуация характерна для всех шахт Прокопьевско-Киселёвского, Ленинск-Кузнецкого, Беловского угледобывающих районов. На шахтах Новокузнецка (Абашевская, Байдаевская, Зыряновская), гор. Осинники, гор. Кемерово жилые посёлки только частично совмещены или обособлены с горными отводами шахт. Но и в этих условиях естественные леса на шахтных землях практически исчезли, поскольку имеются достоверные данные об их существовании в период строительства шахт (30 — 40 годы).
Нарушения земной поверхности
Наиболее масштабные нарушения почвенного покрова происходят при открытых горных работах. В целом по Кузбассу угольными разрезами нарушено 49 тыс. гектаров земной поверхности (Доклад о состоянии ОС..., 2000), в том числе в Восточном Кузбассе, где освоение угольных месторождений находится в начальной стадии, площадь нарушений открытыми горными работами уже составляет 10 тыс. га.
С начала интенсивной угледобычи угольными разрезами вынесено на поверхность и отсыпано в отвалы свыше 8 млрд м3 вскрышных горных пород (Баранник и др., 1998). Такой объём «рукотворных гор» соизмерим с естественными орографическими образованиями, например, Тарадановским увалом, ограничивающим с северо-запада Восточный Кузбасс. Разрушая среду - земную поверхность и геологический массив, открытые работы в наибольшей степени изменяют ландшафт. Образуется так называемый «техногенный» ландшафт, представляющий собой карьерные выемки (рис. 4), породные отвалы, образованные бестранспортным способом с помощью мощных экскаваторов (рис. 5), или транспортные - с вывозкой породы в отвалы железнодорожным и автотранспортом (рис. 6).
Характер нарушения поверхности при подземной добыче определяется условиями залегания отрабатываемых угольных пластов и их мощностью. По этому признаку угольные месторождения разделяются на 3 типа: с пологим (до 15), наклонным (15-45) и крутым (45-90) падением пластов (Полевщиков и др., 2001).
При подработке пологих рабочих пластов нарушения поверхности незначительны, не более 30% площади горного отвода. Как правило, это планировочные поля, на которых почвенный покров оказался уничтоженным в результате использования его для засыпки бульдозерами трещин и провалов.
На поверхности оказываются материнские породы зональных почв -лёссовидные суглинки, в той или иной степени перемешанные с глубинными горными породами от проходки шурфов и разровненных участковых терриконов (аргиллитами, песчаниками, алевролитами, углями) и гумусовым материалом аккумулятивных горизонтов уничтоженных почв.
Ко второму типу месторождений с наклонным залеганием угольных пластов относится основная угленосная площадь. Характер нарушения поверхности при подработке пластов здесь более резкий - почвенный покров в результате провалов и их засыпки оказывается уничтоженным на 30-50% площади горного отвода шахты. На поверхности оказываются обычно почвообразующие и подстилающие породы, главным образом суглинки в смеси с глубинными скальными породами. Разработка таких месторождений зачастую производится одновременно подземным и открытым способами. Верха пластов отрабатываются по бестранспортной системе драглайнами. При этом рельеф поверхности шахтного поля особо усложняется, что приводит к увеличению удельного веса на поверхности планировочных полей каменистых пород. Третий тип месторождений - с круто залегающими рабочими пластами угля. Разработка их сопровождается наиболее сильным нарушением поверхности, появлением глубоких, до 20-30 м, и широких, до 50-70 м, провалов. Частые планировочные работы, вызванные необходимостью засыпки постоянно обновляющихся провалов в результате подработки нижележащих пластов угля, обуславливают полное захоронение рыхлых четвертичных отложений и появление на поверхности малоплодородных глубинных горных пород. При подработке пластов угля таких месторождений деформация поверхности прекращается лишь при перемещении горных работ на глубины, превышающие 300 м. Поэтому при разработке крутопадающих пластов резкие нарушения поверхности -явление постоянное. Преобладающими горными породами, выносимыми на поверхность, являются трудно выветривающиеся песчаники на глинистом и кремнистом цементе, углистые аргиллиты и алевролиты, пирогенные конгломераты.
Наименьшим потенциальным плодородием характеризуются элювии песчаников, имеющие малую ёмкость поглощения, невысокие запасы валовых и подвижных форм калия и фосфора. Свежие их элювии иногда содержат довольно высокое количество общей, в том числе пиритной серы (до 727 мг на 100 г). Окисление пиритных форм серы происходит быстро и через 5-8 лет их содержание уже в 3-6 раз меньше. Реакция среды при этом практически не изменяется, оставаясь близкой к нейтральной (Рагим-заде, 1975).
Субстраты с преобладанием более тяжёлых по мехсоставу аргиллитов и алевролитов, особенно с примесями лёссовидных суглинков и бескарбонатных бурых глин, имеют лучшее потенциальное плодородие (Попов и др., 1970).
Поверхность земли, подвергшаяся деформации, при образовании бессточных мульд проседания бывает подтоплена (рис. 7), или происходит образование провалов, трещин, оползней (рис. 8). Подземные горные работы оказывают влияние на гидрологический режим прилегающих территорий. При извлечении больших объёмов угля, особенно с использованием технологических систем с обрушением кровли, в зону сдвижения вовлекаются и водоносные горизонты, в результате чего водные ресурсы района горных работ истощаются.
Естественное восстановление растительности на нарушенных открытой угледобычей землях
Естественное зарастание нарушенных открытыми горными работами земель в Кузбассе привлекало внимание многих исследователей (Кандрашин, 1986; Манаков, 1997), однако акцент делался на демутацию травянистой растительности с геоботанических позиций. Процесс естественного лесовосстаиовления обычно рассматривался как частный случай сингенеза растительности. Мы не ставили целью детально изучить процесс лесовосстаиовления на породных отвалах, это слишком крупная и сложная проблема. Наша задача заключалась в выявлении особенностей естественного заселения древесными породами территорий, нарушенных при угледобыче.
Зарастание нарушенных земель в лесостепной зоне В лесостепной зоне более интенсивно протекают процессы естественного зарастания травянистой растительностью. Вместе с тем повсеместно отмечается и поселение на отвалах древесно-кустарниковых видов. В качестве базового выбран Байдаевский разрез, на котором было проведено маршрутное обследование.
Древесные и кустарниковые породы представлены видами: сосна обыкновенная, берёза повислая, осина, ивы козья, русская, трёхтычинковая. Из этих видов берёза повислая и ива козья встречаются довольно часто, остальные - единичными экземплярами. Распределение самосева древесных и кустарниковых пород по участкам неравномерное: отмечается сравнительно густой, до 4 тыс. шт. на 1га на северных откосах, более редкий на других экспозициях, полностью отсутствует на вершинах навалов, крутых южных склонах и на задернелых злаками площадях. На площади в 28 га (II участок разреза) фрагментов с густотой самосева сосны и берёзы более 3 тыс. штук на га выявлено 6 га, или 23%. На остальной площади отвалов количество самосева не обеспечивает естественного возобновления хозяйственно ценных древесных пород или же преобладают заросли ивы козьей.
Однолетние всходы в массе погибают, что можно заключить как из непосредственных наблюдений, так и из соотношения количества всходов и наличия подроста, появившегося за период существования отвала. Так, на 12-летнем отвале учтено (в пересчёте на 1 га) подроста сосны высотой более 1м - 260 шт., менее 1м — 240 шт., всходов — 640 шт., берёзы соответственно — 290, 90 и 1240 шт. Если условно считать, что обсеменение отвалов происходит равномерно по годам, то ежегодно на гектаре поселяется примерно 50 экземпляров сосны, или выживает 1/10 часть её всходов, и 1/30 часть всходов берёзы. Таким образом, при оценке благонадёжности 1-летних всходов сосны «коэффициент выживаемости» по Г.В. Крылову (1962) будет равен 0,1 и для берёзы - 0,03. Ивы поселяются преимущественно у подножий отвалов, в понижениях. Однако представители рода Salix рассеянно встречаются на всех склонах и местоположениях. Общее количество подроста лесообразующих пород - сосны и берёзы - 880 экземпляров на 1 га (табл. 15).
Древесные насаждения к 18-20 годам формируются в берёзово-сосновый лес с разнотравно-злаковым травостоем. Полнота древостоя неравномерная, от 0,1 до 0,7, средняя — 0,4. Лесные насаждения носят черты лесов паркового типа (разреженные, куртинные, без кустарникового яруса и подлеска). Травянистый покров берёзово-сосновых насаждений представлен разнотравьем: сныть обыкновенная, герань луговая, хвощ лесной, бедренец камнеломковый, медуница мягчайшая, подмаренник северный и др. Злаковый компонент- из пырея, овсяницы и ежи. В понижениях встречаются осока большехвостая и бобовые: клевер люпиновидный, горошек лесной, чина весенняя .
Древесный ярус, как эдификатор, на этой стадии сингенеза уже оказывает влияние на видовой состав травостоя: затеняет его, в результате чего под кронами травостой разрежен, почти отсутствуют злаки, более влажный микроклимат способствует развитию лесного комплекса - дудника лесного, медуницы, борщевика и др.
