Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы 11
1.1 Деградация почвенного покрова .11
1.2 Противоэрозионная и противодефляционная устойчивость почвы 15
1.3 Роль многолетних трав в защите земель, подверженных эрозии 19
1.4 Искусственные структурообразователи .25
2 Программа, объекты, методика и объем исследований 34
2.1 Программа исследований 35
2.2 Объекты исследований 35
2.3 Методика исследований 38
2.4 Объем исследований 44
3 Экологические условия районов исследований .45
3.1 Южно-Германское Предальпийское плоскогорье, южные склоны Главного Кавказского хребта и Среднерусская лесостепь 45
3.2 Особенности природно-климатических условий Курской магнитной аномалии .51
3.2.1 Климатические условия 51
3.2.2 Орография и гидрологические условия .55
3.2.3 Геология и почвообразующие породы 57
3.2.4 Специфика условий карьерно-отвальных ландшафтов КМА 59
4 Применение полиакриламида при закреплении нарушенных земель КМА 64
4.1 Влияние ПАА на водно-физические свойства горных пород и их технических смесей .64
4.2 Влияние ПАА на рост и развитие многолетних трав .71
4.3 Противоэрозионная роль фитомелиорации с применением ПАА 79
4.4 Технология закрепления и восстановления нарушенных земель .81
5 Характеристика искусственных структурообразователей 86
5.1 Структурообразующая способность препаратов различной природы .86
5.2 Влияние искусственных структурообразователей на биологическую активность почвы .90
5.3 Изменение ферментативной активности почв при воздействии структурообразующих препаратов 96
5.4 Структурообразующий эффект ПАА на бурых и светло-серых лесных почвах .101
6 Эколого-экономическая эффективность фитомелиорации нарушенных земель 110
Заключение .116
Библиографический список
- Противоэрозионная и противодефляционная устойчивость почвы
- Объем исследований
- Особенности природно-климатических условий Курской магнитной аномалии
- Противоэрозионная роль фитомелиорации с применением ПАА
Введение к работе
Актуальность проблемы. По приближенным подсчетам общая площадь деградированных и нарушенных земель только на территории Российской Федерации к настоящему времени превысила 130 млн. га. В районе Курской магнитной аномалии (КМА) нарушенные земли с развитыми процессами промышленной эрозии и дефляции занимают площадь более 40 тыс. га.
Интенсивная фитомелиорация – один из наиболее эффективных приемов ускоренной оптимизации лесорастительных условий деградированных и нарушенных земель. Формирование продуктивных и устойчивых фитоценозов в условиях техногене-за возможно только в комплексе с различными приемами, наиболее перспективным из которых является использование полимерных препаратов.
В нашей стране и за рубежом все чаще находят применение высокомолекулярные полимеры, а также препараты на их основе, которые, в первую очередь, способствуют созданию искусственной структуры почвы. В настоящее время многие отечественные и зарубежные учёные, наряду с применением синтетических структурообра-зователей, занимаются поиском альтернативных природных и комбинированных препаратов.
В связи с этим актуальной научно-практической проблемой на сегодняшний день является разработка эффективных приемов создания искусственных фитоцено-зов с применением связующих препаратов, а также сравнительная оценка современных препаратов.
Представленная работа является составной частью научных исследований кафедры лесных культур, селекции и лесомелиорации Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА) по Федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего лесотехнического образования. Инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса» (№ госрегистрации 01.2.00103888), по программе «Михаил Ломоносов», выполненной при поддержке Немецкого фонда академических обменов (DAAD) в 2009-2010 годах в почвенной лаборатории отдела агроэкосистем университета г. Байройт (Германия), хоздоговорным темам с Лебединским горнообогатительным комбинатом КМА, а также кафедры ландшафтной архитектуры и почвоведения ВГЛТА по хоздоговорной теме с открытым акционерным обществом «РЖДстрой» (№ ДВП -13/03-0202).
Цель исследований – теоретическое, экспериментальное обоснование и оценка эффективности полимерных препаратов при фитомелиорации деградированных и нарушенных земель.
Для реализации поставленной цели последовательно решались 5 взаимосвязанных задач:
изучить и обобщить отечественный и зарубежный опыт применения синтетических и природных препаратов, оптимизирующих почвенную структуру;
исследовать эффективность фитомелиорации нарушенных земель отвалов КМА с применением полиакриламида (ПАА);
оценить структурирующую способность различных доз ПАА для деградированных и нарушенных земель;
- оценить изменения показателей биологического режима почв при исполь
зовании препаратов различной природы; провести сравнительный анализ полиак-
риламида (ПАА), биополимера (БП) и биочара (БЧ);
- обосновать эколого-экономическую эффективность применения ПАА в
целях закрепления нарушенных земель.
Научная новизна. Изучены различные структурообразующие препараты и целесообразность их применения для закрепления и восстановления деградированных и нарушенных земель. Исследована эффективность фитомелиорации в комплексе с применением различных доз ПАА для горных пород и их технических смесей на нарушенных землях КМА. Впервые проведен сравнительный анализ искусственных структурообразователей различной природы. Установлена эффективность применения различных доз ПАА для деградированных почв различного генезиса.
Теоретическая значимость результатов исследований заключается в том, что проанализировано изменение водно-физических показателей горных пород и их технических смесей, обработанных различными дозами ПАА. Выявлена эффективность фитомелиорации с применением ПАА при закреплении вскрышных пород на техногенно нарушенных землях КМА. Выявлены особенности воздействия искусственных структурообразователей на биологическую активность почвы, а также устойчивость данных препаратов к биологическому разложению. Проведен сравнительный анализ эффективности применения различных доз ПАА на деградированных почвах различного генезиса.
Практическая значимость работы выражается в том, что на основе полученных результатов предложены рекомендации по фитомелиорации техногенно нарушенных земель с применением технологии гидропосева.
Результаты исследований используются в учебном процессе при изучении курсов «Рекультивация ландшафтов», «Лесомелиорация ландшафтов» для бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям подготовки 250100 – «Лесное дело», 260500 – «Садово-парковое и ландшафтное строительство»; аспирантов по специальности 06.03.03 – Агролесомелиорация и защитное лесоразведение, озеленение населенных пунктов, лесные пожары и борьба с ними, а также в научно-исследовательской работе ОАО НИИ по проблемам Курской магнитной аномалии им. Л.Д. Шевякова по рекультивации объектов Лебединского и Стойленского ГОКов.
Методология и методы исследований. В основе проведенных исследований лежит системный методологический подход. В ходе работы применялись типовые методики, используемые в агролесомелиорации, почвоведении и геоботанике.
На защиту выносятся следующие положения:
влияние различных доз ПАА на изменение водно-физического и структурного состояния техногенных субстратов КМА;
особенности роста многолетних трав и создание продуктивных фитоцено-зов с применением различных доз ПАА на нарушенных землях КМА;
- сравнительная оценка эффективности препаратов различной природы,
способствующих созданию искусственной структуры почв;
- структурообразующая способность различных доз ПАА на деградирован
ных почвах различного генезиса;
- эколого-экономическая оценка фитохимической мелиорации нарушенных земель с применением технологии гидропосева.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием большого объема репрезентативных проб, отобранных в соответствии с действующими стандартами, корректным применением методов статистической обработки, а также с учетом результатов предшествующих исследований.
Личный вклад. Автор принимал участие в разработке программы и методики исследований, осуществлял сбор и камеральную обработку полевого материала, проводил лабораторные анализы. На основе вышеизложенного были сделаны выводы и даны рекомендации производству по восстановлению техногенно нарушенных земель.
Апробация работы проведена в виде докладов на научных конференциях различного уровня: Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 135-летию Донлесхоза «Проблемы и перспективы развития лесомелиорации и лесного хозяйства в Южном федеральном округе» (г. Новочеркасск, 2011 г.), Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.), Международная научная конференция «Региональные эффекты глобальных климатических изменений в XXI веке (причины, последствия, прогнозы)» (г. Воронеж, 2012 г.), Международная молодежная научная школа конференция «Воспроизводство, мониторинг и охрана природных, природно-антропогенных и антропогенных ландшафтов» (г. Воронеж, 2012 г.), Международная молодежная конференция «Разработка комплекса технологий рекультивации техногенно нарушенных земель» (г. Воронеж, 2012 г.), а также ежегодных научных конференциях в ВГЛТА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 5 печатных работ в материалах международных и всероссийских конференций, общим объемом 4,35 печатных листа, личное участие автора составляет 60 % или 2,61 печатных листа.
Структура и объем диссертации. Представленная диссертация состоит из общей характеристики работы, 6 глав, заключения, рекомендаций производству, библиографического списка, а также 17 приложений. Работа изложена на 160 страницах, иллюстрирована 11 таблицами и 17 рисунками. Библиографический список включает 203 наименования, из которых 27 источников на иностранных языках.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профессору Панкову Я.В.; профессору Кузякову Я.В., доценту Благодатской Е.В. и сотрудникам отдела агроэкосистем университета г. Байройт (Германия), а также доцентам кафедры ландшафтной архитектуры и почвоведения ВГЛТА Одноралову Г.А. и Тихоновой Е.Н. за научные консультации и помощь на разных этапах выполнения работы.
Противоэрозионная и противодефляционная устойчивость почвы
Термин «эрозия почв» происходит от латинского слова – «erodere» – разъединение, разрушение. Термин «дефляция» также иностранный и происходит от французского «dе» – прочь и латинского «flаrе» – дуть [75].
Согласно основоположникам эрозиоведения – Швебсу Г. И. [166] и Заславскому М.Н. [67] под эрозией почвы следует понимать лишь водную эрозию, а термин ветровая эрозия следует полностью заменить дефляцией. Ниже приведены современные определения, по мнению автора, наиболее точно описывающие явления эрозии и дефляции: эрозия – процесс отрыва, разрушения и выноса частиц субстрата водой, точнее водными потоками; дефляция – это разрушение и снос почв ветром [3]; эрозия – это смыв и размыв почвы поверхностным стоком временных водных потоков; дефляция – это разрушение почвы и перенос мелкозема ветром. Не 16 обходимое условие проявления дефляции – наличие ветра со скоростью, достаточной для переноса почвенных частиц [151].
Механизмы эрозии и дефляции подробно описаны в многочисленных работах отечественных и зарубежных исследователей [3, 35, 66, 85, 95, 179, 199]. Данные процессы – явления физические, они обычно разделяются на два этапа: первый – отделение почвенных частиц от монолита почвы или подстилающей породы внешними силами, второй – перенос путем перекатывания, прыжков или транспортировки во взвешенном виде. Эродирующая энергия, способная выполнить такую разрушительную работу, возникает при падении воды на поверхность земли, течение ее вниз по склону и геологической работе ветра.
Таким образом, приемы по предотвращению смыва и сноса почвы не дадут должного эффекта, если устойчивость самих почв к эродирующему действию потокам воды и воздуха будет мала.
Работами ряда авторов [28, 42, 65, 79, 81, 84, 152, 167, 171, 179] доказано, что такие свойства почвы как структурность, водопрочность агрегатов, содержание гумуса и влажность являются основными факторами, определяющими их противоэрозионную и противодефляционную устойчивость.
Далее кратко рассмотрим влияние каждого из этих факторов на устойчивость почвы в отдельности.
Иванов А.Л. и Кулик К.Н. [3] отмечают, что существенную роль в процессе разрушения почвенной структуры и ее распыления, а, следовательно, и повышения податливости почв дефляции играет прочность почвенных агрегатов, или их связность.
Дегтяренко В.Н. [58] и Слободяник Г.Ф. [144] водопрочность почвенных агрегатов отождествляют с понятием противоэрозионной устойчивости почв и о последней судят по прямым показателям определения водопрочности агрегатов.
Процесс почвенного структурообразования и природа агрегатных водоустойчивых связей до сих пор остаются дискуссионными. Милановский Е.Ю., Шеин Е.В., Васильева Н.А., Хан Д.В. [26, 112, 160, 168] в своих работах указывают на то, что удаление органического вещества вызывает немедленное разрушение водоустойчивых агрегатов. Авторы также отмечают, что основная причина водоустойчивых свойств агрегатов связана с гидрофобизацией поверхности поро-вого пространства агрегата продуктами гумификации.
Г.И. Швебс [166] указывает, что противоэрозионная стойкость почвы убывает на север и юг от черноземно-степной полосы вместе с уменьшением содержания гумуса.
Зависимость проявления эрозионных процессов от влажности почвы отмечает в своих работах Казаков В.А [77]. Им установлено, что при одной и той же интенсивности дождевания наибольшая мутность стока наблюдается при минимальной влажности почвы, когда на ее поверхности имеется большое количество несвязанных между собой частиц, образовавшихся от дезагрегации почв под воздействием солнечных лучей и ветра.
Мирцхулава Ц.Е. [113] также отмечает отрицательное влияние пересыхания грунтов на их противоэрозионную стойкость.
По данным Козменко А.С. [89] влага, обволакивая частицы и агрегаты тонкой пленкой, резко увеличивает их сцепление друг с другом. Сила этого сцепления вместе с массой почвенных частиц оказывается вполне достаточными, чтобы противостоять силам турбулентного трения воздушного потока, возникающего при сильных ветрах у поверхности почвы. Промышленная эрозия, возникающая на нарушенных землях КМА, проявляется в форме смыва, размыва, дефляции, карста, суффозии, просадок, сползания и осыпания грунтов [132]. Бурыкин А.М. [23] в первых исследованиях техногенного ландшафта КМА указывал, что эрозии способствует не только рыхлость пород, но и большая крутизна склона, где помимо поверхностного смыва широко распространены размывы, образование промоин и глубоких оврагов.
Андрющенко П.Ф. [6] в своей работе указывает, что у основной массы отвалов через несколько лет после их отсыпки на поверхности происходит намывка русел и на смену плоскостной эрозии приходит струйчатая, когда формирующийся дождями поверхностный сток стекает не по сплошной поверхности, а по намытым руслам в виде ручейков. Обычно в такую стадию отвалы горных пород входят уже на третий или четвертый год после отсыпки. Особенно интенсивно протекает эрозия после землевания отвалов, вызывая значительное образование водороин и оврагов, когда смыв почвы доходит до 986,4 т/га [123].
Под противоэрозионной и противодефляционной устойчивостью отвальных земель следует понимать способность грунтосмесей, образующих эти отвалы, противостоять разрушающему воздействию воды и ветра [131].
Дюков А.Н. [63] отмечает, что устойчивость грунтосмесей обуславливается комплексом биохимических, химических, физико-химических, водно-физических и механических свойств.
По данным Малининой Т.А. с нашим участием [104] степень проявления дефляции в условиях отвально-техногенных ландшафтов зависит главным образом от скорости ветра и механического состава горных пород. Наибольшей интенсивностью характеризуются процессы дефляции на рыхлых горных породах: пески и песчано-меловые смеси, а наименьшей – на более плотных – мела, средние и тяжелые суглинки. При этом в верхних частях отвалов показатель дефляции ежегодно колеблется от 3 до 53 мм, а в нижних, наоборот, мощность наносов составляет от 6 до 43 мм.
Навалихин С.В. [116] в своей работе также указывает на то, что гранулометрический состав пород, слагающих отвалы, играет важную роль в устойчивости склоновой поверхности к механическому воздействию воды и ветра.
Исследованиями разных авторов [5, 150] выявлено, что образование структуры на нарушенных землях протекает медленно, особенно если субстрат имеет легкий гранулометрический состав.
Более того, экстремальные условия отвально-техногенных ландшафтов характеризуются недостатком влаги, что в свою очередь, также снижает устойчивость субстратов к эрозии и дефляции.
Объем исследований
Среди крилиумов набольшее распространение получил полиакриламид (ПАА). ПАА – полимер, синтезируемый из низкомолекулярного вещества (акрила-мид) в результате реакций цепной радикальной полимеризации. Акриламид является производным от органической акриловой кислоты, имеющей следующую химическую формулу: СН2=СН–СООН [87].
Для ПАА характерно наличие в составе карбоксильной (СООН) и аминогруппы (NH2), что в свою очередь обуславливает не только реакционную способность этого соединения и возможность формирования водородных и валентных химических связей с реакционными центрами минеральной матрицы почвы, но и служит дополнительным источником азота при деструкции данного вещества [97]. Сильнодействующими структурообразователями являются препараты оте чественного производства – К-4 и К-9. Для борьбы с коркообразованием и высо ким испарением эффективно использование структурообразователей гидрофобизаторов. К таким препаратам относится стиромаль. При использовании в дозах до 0,05 % от массы почвы препарат резко снижает скорость, высоту ка пиллярного подъема и испарение [140]. Дальнейший поиск эффективных препаратов, оптимизирующих почвенную структуру, привел к появлению нового класса комбинированных веществ – силь-нонабухающие полимерные гидрогели (СПГ). Работами ряда авторов [53, 92, 94, 105, 115, 142, 145] указывается на положительное действие данных препаратов на водный и водно-физический режимы почвы, а также рост и развитие растений.
Важным фактором, ограничивающим широкое применение данных препаратов в условиях производства, на данный момент, является их высокая стоимость.
В настоящее время многие зарубежные исследователи, наряду с применением синтетических структурообразующих кондиционеров, занимаются поиском альтернативных природных и комбинированных препаратов. Особый интерес представляет группа, так называемых биополимеров, синтезированных на основе лигнина, крахмала, акриламида и акриловой кислоты. Зарубежные авторы [175, 177, 178, 191] указывают на достаточно высокие структурообразующие и почвоулучшающие свойства данных препаратов.
На современном этапе биополимеры производят преимущественно за рубежом, что не позволяет в настоящее время приступить к их активному внедрению в сельскохозяйственную практику в нашей стране. Полевые экспериментальные и лабораторные исследования по влиянию биополимеров на свойства различных почв также проводятся за рубежом.
Ряд зарубежных авторов [183, 188, 196] указывают также на высокие мелиорирующие свойства такого препарата как биочар. К его основным достоинствам следует отнести оптимизацию почвенной структуры и повышение почвенного плодородия.
Биочар – биоуголь, аналог древесного угля, вырабатывается путем пирогенизации компоста (отходы с/х культур, древесные отходы или растительная биомасса).
В нашей стране биоуголь редко используется в сельскохозяйственной практике в связи с отсутствием традиции и недостатком информации об этом почвенном мелиоранте.
Себестоимость производства данного препарата не высокая, учитывая, что исходными продуктами для получения биочара являются растительные отходы и растительная биомасса. Несмотря на это, не так много предприятий по всему миру производят этот препарат. Основное производство биочара сосредоточено в Европе. Большая часть работ по исследованию данного препарата и внедрению его в сельскохозяйственную практику также ведется за рубежом.
В подавляющем большинстве опубликованных отечественных [25, 52, 70, 94, 138, 140, 142, 145] и зарубежных работ [181, 190, 192, 195] приводятся экспериментальные материалы о значительном улучшении почвенной структуры и водно-физических свойств почв (плотность, порозность, содержание водопрочных агрегатов, водопроницаемость, водоудерживающая способность) при внесении в них искусственных и природных структурообразователей.
Очевидно, что улучшение почвенной структуры и ее водопрочности, а также оптимизация водно-физического режима почвы, обработанной полимерами, создают благоприятные условия для устойчивости почвы к эрозии и дефляции.
Ревут И.Б. [134] указывает, что при выборе противоэрозионного приема очень важно учитывать продолжительность периода от начала его применения до начала его действия. Химические средства борьбы с эрозией относятся к наиболее оперативным методам защиты поверхностного слоя почв от разрушения под действием воды и ветра. Противоэрозионное действие искусственных структурообра-зователей почвы проявляется через несколько часов после их внесения.
В нашей стране первые исследования по использованию ПАА в качестве пескозакрепительного препарата были проведены ВНИАЛМИ в 1965 году [31] на песках Волгоградской и Астраханской областей. Испытывались различные дозировки – от 500 до 2000 кг/га при различных концентрациях раствора 0,25-1 %. Был выявлен закрепительный эффект препарата, который в зависимости от концентрации сохранялся от 6 месяцев до 2-х лет.
По данным Киселева А.Н. и Немжилова Н.Б. [86] в варианте с обработкой почвы 1 % раствором ПАА в среднем за 2 года снос почвы был в 3,4 раза меньше, чем в контроле, а в варианте с 1,5 % раствором – в 4,9 раза.
По наблюдениям Махлина Т.Б. [109] отмечено, что полимеры способствовали снижению стока в 1,2-4,6 и смыва – в 1,7-5,0 раза. Причем снижение стока в сравнении с необработанной почвой на 60 % обусловлено дозой вносимого полимера и лишь на 27 % глубиной обработанного слоя. А снижение смыва на 49 % обусловлено дозой полимера и на 30 % глубиной обработанного слоя. В проведенном эксперименте глубина промачивания повысилась в 1,5-2 раза. При этом отмечается, что полимер не вымывается осадками в нижележащие горизонты.
Особенности природно-климатических условий Курской магнитной аномалии
Вполне закономерно, что минимальная водоудерживающая способность, и, соответственно, самые малые запасы влаги свойственны песчано-меловой смеси. Малая водоудерживающая способность песчано-меловой смеси обусловлена слабой адсорбционной способностью и преобладанием в составе общей порозности крупных и средних пор, не способных прочно удерживать в себе влагу [116].
Таким образом, можно предположить, что применение водных растворов ПАА в концентрации 0,5-1 % будет ограничивать потери воды на испарение в поверхностном слое 0-5 см техноземов. Это можно объяснить повышением гидро-фильности субстратов под влиянием полиэлектролита [141]. Причем наибольший влагоаккумулятивный эффект будет достигаться на суглинке и мело-мергеле.
В целом, результаты данного эксперимента свидетельствуют о том, что при наличии исходно удовлетворительной способности почвы к водоудерживанию (суглинок, мело-мергель) ее можно дополнительно повысить, что особенно важно для условий отвально-техногенных ландшафтов, характеризующихся повышенным иссушением поверхностных горизонтов. Для супесчаных субстратов с исходно низкой водоудерживающей способностью применение ПАА также способствует повышению влагоаккумулятивного эффекта, но в меньшей степени.
Захарова Е.И. [70] в своей работе также указывает, что применение водорастворимых полимеров акрилового ряда на зональных почвах оказывает положительное влияние на запасы продуктивной влаги, которые возросли по сравнению с контролем на 3-20 мм.
Садовникова Н.Б. [142] отмечает, что с увеличением содержания полимерного гидрогеля на основе ПАА с 0,1 до 0,2 % возрастают показатели полной и капиллярной влагоемкости супесчаной почвы до уровня, характерного для почв тяжелого гранулометрического состава или обогащенных гумусом почв типа черноземов.
Таким образом, внесение растворов ПАА с высокой удельной поверхностью способствовало сокращению физического испарения в поверхностном слое исследуемых субстратов, в большей мере в суглинистых и в меньшей – в супесчаных.
В связи с этим, уже в начальный период своего нанесения ПАА будет способствовать консервации влаги в субстратах и, соответственно увеличению запасов влаги. Это особенно важно при посеве многолетних трав, когда необходимо сохранение во влажном состоянии верхнего слоя почвы как можно больше времени, в противном случае на подсыхающих субстратах скорость прорастания и конечный процент проросших семян снижается.
Вышеуказанный положительный эффект ПАА будет также влиять и на про-тивоэрозионную и противодефляционную стойкость субстратов, так как содержание влаги в почве напрямую связано с повышением устойчивости почвы к эрозии и дефляции.
Так, Дюков А.Н. [63] отмечает, что увлажнение эродируемой распыленной поверхности нарушенных земель прекращает дефляцию даже при высокой скорости воздушного потока.
На зависимость проявления эрозионных процессов от влажности почвы указывает в своих работах Казаков В.А. [77]. Им установлено, что при одной и той же интенсивности дождевания наибольшая мутность стока наблюдается при минимальной влажности почвы, когда на ее поверхности имеется большое количество несвязанных между собой частиц, образовавшихся от дезагрегации почв под воздействием солнечных лучей и ветра.
Мирцхулава Ц.Е. [113] также отмечает отрицательное влияние пересыхания грунтов на их противоэрозионную стойкость.
Исследованиями разных авторов [5, 150] выявлено, что образование структуры на нарушенных почвах протекает медленно, особенно если субстрат имеет легкий гранулометрический состав.
Нашими экспериментами [44] был выявлен достаточно высокий структурообразующий эффект ПАА на зональных почвах, и в связи с этим по окончании эксперимента нами было проанализировано влияние ПАА на изменение структурно-агрегатного состояния техногенных субстратов.
Как видно из таблицы 4 , применение ПАА способствует образованию агрегатов больших размеров, за счет снижения содержания фракций размером 1-0,25 и менее 0,25 мм. Это явление характерно для всех субстратов, количество фракции размером 1- 0,25 уменьшается с 8,4 до 6,6 % для песчано-меловой смеси, с 22,1 до 7,6 % для мело-мергеля, с 36,7 до 23,6 % для суглинка. Наибольшие изменения происходят в диапазоне агрегатов менее 0,25 мм. Так, содержание данной фракции уменьшается в 2,5 раза в песчано-меловой смеси и в 2,1 раза для мело-мергеля и суглинка.
Удельный вес фракций размером 10, 10-5, 5-3 мм возрастает, за счет «клеящих» свойств полимера, способствующих укрупнению агрегатов. Так количество фракции размером 10-5 мм увеличивается с 15,4 до 27,1 % для песчано-меловой смеси, с 12,5 до 21,1 % для мело-мергеля, с 9,2 до 13,9 % для суглинка.
С увеличением концентрации раствора структурирующая роль полимеров во всех вариантах увеличивается. По результатам исследований наилучший структурообразующий эффект, как для слабосвязных субстратов, так и для остальных наблюдается при 0,5-1 % концентрациях раствора ПАА. В проведенном эксперименте для всех субстратов было характерно укрупнение агрегатов и сокращение пылеватой фракции, что, безусловно, будет способствовать уменьшению подверженности субстрата процессам дефляции.
Учитывая, что устойчивость субстрата к эрозии, в большей степени определяется не размером почвенных отдельностей, а их водопрочностью, на следующем этапе мы оценили изменение количества водопрочных агрегатов.
Противоэрозионная роль фитомелиорации с применением ПАА
Анализ литературных данных [68, 69, 126, 154] показывает, что пионерами поселения на отвальных землях КМА являются многолетние травы, преимущественно мезофиты, среди которых представлены корневищные, мочковато-корневищные и стержнекорневые виды. Но, естественное зарастание не способно обеспечить самовоспроизводство растительного покрова в силу ряда объективных причин (высота отвалов и крутизна откосов, способствующая сносу и смыву семян и неокрепших всходов растений, а также экстремальные условия произрастания), что вызывает необходимость создания искусственных фитоценозов.
На участках отвалов КМА, обладающих потенциально низким плодородием и характеризующихся развитыми процессами эрозии и дефляции, а также суро 72 вым микроклиматом условия для роста и развития растений неблагоприятные [124]. В связи с этим, важнейшей технологической операцией при закреплении поверхности отвала является создание благоприятного микроклимата для прорастания трав и предохранения засеянной поверхности от плоскостной и линейной эрозии до образования дернового покрова.
В ходе лабораторных экспериментов [46] нами было отмечено улучшение водно-физического режима различных субстратов под воздействием ПАА. В первую очередь внесение почвомодификатора способствует стабилизации поверхностного слоя и сохранению влаги в субстратах, что непосредственно будет содействовать созданию более благоприятных стартовых условий для прорастания растений в жестких условиях техногенных экосистем. Так, по обобщенным данным на нарушенных землях урожайность трав в двулетнем возрасте в 2,5-7 раз ниже, чем на зональных почвах.
Для проверки эффективности влияния ПАА в производственных условиях нами были заложены микроделяночные опыты по посеву многолетних трав на следующих субстратах – песчано-меловая смесь и мело-мергель. Площадь одной делянки составляет 1 м2, размер – 1х1 м. Учитывая, что в лабораторном эксперименте положительный эффект в различной степени был выражен для всех испытываемых концентрации полимерного раствора, в производственных условиях мы также испытывали следующие концентрации – 0,01; 0,05; 0,5 и 1 %, объем внесенного раствора составлял 10 л/м2.
Опираясь на данные многолетних исследований [68, 126, 147], была подобрана травосмесь, в состав которой входили злаковые и бобовые травы, имеющие мочковатые и стержневые корни, в количестве: семена овсяницы луговой – 150, эспарцета песчаного – 400 и люцерны синегибридной – 50 кг/га. Данные растения проходят на субстратах все фазы развития и имеют наиболее высокую продуктивность по сравнению с другими видами.
Обработка участков ПАА и посев трав проводились нами вручную. Нарезались борозды под посев семян при глубине до 3 см, затем проводился посев семян трав с помощью лейки (семена трав смешивались с водным раствором ПАА заданной концентрации) и заделка граблями.
В 2011 году в первый вегетационный сезон во всех вариантах опыта семена взошли на 9-13 день. Здесь следует отметить, что по метеоусловиям май, июнь и июль 2011 года характеризовались недостаточным количеством выпавших осадков, что неблагоприятно отразилось на посевах.
В целом на песчано-меловой смеси нами отмечена меньшая всхожесть растений и более высокий отпад, но сохранившиеся экземпляры имеют лучшие показатели в росте и развитии, чем на мело-мергеле (приложение 10).
Несмотря на то, что мело-мергель имеет более высокое содержание органического вещества, и соответственно, более высокое потенциальное плодородие по сравнению с песчано-меловой смесью, для этого субстрата характерно формирование меньшей биомассы и невысокие темпы гумусонакопления [132].
Как видно из таблицы 5 в первый год выращивания многолетних трав в обычных условиях и без применения ПАА количество всходов колебалось от 0,142 до 1,040 тыс. шт/м2. Показатели всхожести растений на мело-мергеле оказались в 1,2-1,5 раза выше, чем на песчано-меловой смеси.
В опытных вариантах с концентрацией полимерного раствора 0,01 % количество всходов остается стабильным и превышает контроль в незначительной степени.
Более существенный эффект от внесения ПАА начинает проявляться при внесенной концентрации 0,05 %. Так, на песчано-меловой смеси всхожесть многолетних трав увеличилась в 1,1 раза по сравнению с контролем. Для мело-мергеля этот показатель был выше, чем на контроле в 1,1-1,2 раза. В целом для травосмеси этот показатель как на мело-мергеле, так и на песчано-меловой смеси возрос в 1,1 раза по сравнению с контролем.
Максимальный положительный эффект в исследуемых субстратах наблюдался нами для концентраций полимерного раствора 0,5-1 %. Так, для песчано-меловой смеси количество всходов овсяницы и эспарцета, соответственно, увеличилось в 1,3 и 1,4 раза, люцерны – в 1,6 раза. Для мело-мергеля количество всходов овсяницы увеличилось в 1,5; эспарцета в 1,4 и люцерны – в 2,2 раза. В целом по травосмеси этот показатель превысил контроль в 1,4-1,5 раза. Необходимо отметить, что нами не было обнаружено значительных отличий между концентрациями 0,5 и 1%.
Таким образом, можно заключить, что минимальные концентрации полимерного раствора 0,01-0,05 % не оказывают существенного влияния на общее количество всходов трав как для мело-мергеля, так и для песчано-меловой смеси. Повышение концентрации до 0,5-1 % способствует увеличению общего количества всходов в 1,4-1,5 раза по сравнению с контролем.
Наши опыты также свидетельствуют о том, что благоприятное воздействие ПАА на субстраты способствовало более глубокому проникновению корней опытных растений по сравнению с контрольными растениями (приложение 10). Так, средняя длина корня увеличилась в 1,6-1,7 раза на песчано-меловом субстрате и в 1,6-1,8 раза на мело-мергеле. В то время как высота растений увеличилась на песчано-меловой смеси и на мело-мергеле в 1,2-1,4 раза.
Исходя из полученных нами данных, можно предположить, что внесение ПАА, способствующее консервации влаги и структурированию субстрата оказывает большее влияние на глубину проникновения корней, чем на высоту стебля.
В связи с этим, уже в первый год в вариантах с применением ПАА увеличивается мощность слоя дернины в среднем на 2-4 см по сравнению с чистым травосеянием.
В 2012 году, во второй вегетационный сезон отмечено массовое отрастание побегов весной и интенсивное развитие растений. Здесь следует указать, что метеорологические условия летнего периода 2012 года сложились достаточно неблагоприятные для роста и развития растений. Основное количество осадков выпало в июне и августе, при этом было зафиксировано превышение среднемного-летней нормы, соответственно, на 162,5 и 156 %.