Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 10
1.1 Биоэкологические особенности сосны обыкновенной 10
1.2 Использование сосны обыкновенной при лесной рекультивации в России и за рубежом и мероприятия, направленные на улучшение лесорастительных условий нарушенных земель при ее выращивании 16
1.3 Опыт выращивания сосновых насаждений на техногенно нарушенных землях Курской магнитной аномалии 26
2 Программа, обьекты, методика и обьем исследований 30
2.1 Программа исследований 30
2.2 Объекты исследований 31
2.3 Методика исследований 37
2.4 Объем исследований 39
3 Краткая характеристика природных условий района исследований 40
3.1 Климат 40
3.2 Рельеф 42
3.3 Почвообразующие породы и почвы 45
3.4 Гидрография и гидрологические условия 47
3.5 Растительность 48
3.6 Антропогенный фактор 52
4 Лесорастительные условия техногеннонарушенных земель и их динамика под влиянием сосновых насаждений
4.1 Характеристика гранулометрического состава субстратов двух- и трех компонентных техноземов 56
4.2 Характеристика агрохимических свойств субстратов в разных лесорастительных условиях 60
5 Влияние лесорастительных условий на формирование сосновых насаждений на техногенно нарушенных землях 71
5.1 Состояние и рост сосны обыкновенной в разных лесорастительных условиях 71
5.2 Естественное возобновление сосны при разных способах улучшения лесорастительных условий 82
6 Изменение лесорастительных условий путем создания смешанных сосновых насаждений 99
6.1 Влияние лиственных пород на изменение лесорастительных условий техногенно нарушенных земель 99
6.2 Влияние древесных пород на рост и состояние сосны обыкновенно в смешанных сосновых насаждениях 107
7 Эколого-экономическая оценка применения сосны обыкновенной при облесении промышленных отвалов 113
Заключение 121
Библиографический список
- Использование сосны обыкновенной при лесной рекультивации в России и за рубежом и мероприятия, направленные на улучшение лесорастительных условий нарушенных земель при ее выращивании
- Методика исследований
- Гидрография и гидрологические условия
- Характеристика агрохимических свойств субстратов в разных лесорастительных условиях
Использование сосны обыкновенной при лесной рекультивации в России и за рубежом и мероприятия, направленные на улучшение лесорастительных условий нарушенных земель при ее выращивании
Культуры сосны обыкновенной создаются и изучаются на нарушенных землях во всех регионах нашей страны, а также ближнем и дальнем зарубежье, где добыча полезных ископаемых производится открытым способом: в Центральных и Центрально-Черноземных областях, на Урале, в Кузбассе, в Сибири, в Украине, Беларуси, Эстонии, Латвии, Грузии, а также Германии, Польше, Англии, США, Чехии, Словакии и др.
Рекультивационные работы в нашей стране одним из первых начал проводить Подмосковный горно-химический комбинат. Егорьевским и Виноградовским лесхозами, начиная с 1958 г., было создано более 1000 га сосновых насаждений двухлетними сеянцами без проведения землевания [50]. По данным Карловича СВ. и Саликова B.C. [63] приживаемость сосны составляла 95 %. Для повышения энергии роста сосны авторы рекомендовали посев люцерны и люпина с последующим запахиванием их на зеленое удобрение.
В Тульской области с 1961 г. на Кимовском угольном разрезе Кимовский лесхоз проводил посадку сосны в смешении с березой повислой, чередуя кулисы из 4-5 рядов, в более ранние сроки по сравнению с зональными почвами [141]. Для создания более благоприятных воздушного и пищевого режимов проводился уход за субстратом и внесение органических удобрений, что способствовало лучшему росту культур.
Зайцев Г.А., Моторина Л.В., Данько В.Н. [50] пришли к выводу, что культуры сосны можно вырастить только на нетоксичных и слаботоксичных породах, на которых в 14 лет сосна имеет высоту 4,3 м. На токсичных субстратах в некоторых случаях высота сосны достигает 3,0 м.
При содержании сульфидов более 60 % отпад сосны составляет 70-90 %. Авторы рекомендуют на токсичных субстратах создавать предварительные культуры ольхи черной или серой, а также нейтрализовать кислотность верхнего 40-сантиметрового слоя внесением извести - до 120 т/га. Также токсичные субстраты могут перекрываться потенциально плодородными породами слоем не менее 1,5-2,0 м, но даже тогда культуры будут иметь преимущественно рекреационное и санитарно-гигиеническое значение.
В условиях Подмосковного буроугольного бассейна Васильева Н.П. и Ижевская Т.И. [24], изучая культуры сосны в возрасте до 10 лет, пришли к выводу, что максимальный отпад (20 %) наблюдается в начальный период, а в возрасте 9-10 лет он уменьшается, и прирост по высоте достигает 60-90 см. Для улучшений условий роста авторы также рекомендуют посев сидератов в междурядьях. Ими могут служить клевер, люцерна, мятлик, лядвенец и другие.
Новикова Н.А., Савич А.И. [116] с целью создания благоприятных условий для выращивания продуктивных культур рекомендуют на сульфидосодержащие породы отвалов угольных карьеров наносить карбонатный суглинок слоем 10-15 см, а сверху гумусированный слой почвы.
Таким образом, большинство авторов [50, 92, 111, 198, 199] считают возможным на потенциально плодородных породах Подмосковного буроугольного бассейна выращивание устойчивых культур сосны обыкновенной.
В условиях Брянской области отвалы фосфоритных разработок представлены неоднородными субстратами, состоящими из смеси горных пород с примесью органики различных включений. Смирновой М.Ю. [158] выявлено, что лучший рост сосны наблюдается на кварцево-глауконитовых песках с прослойками из остатков генетических горизонтов бывшей почвы. Здесь сосняки в возрасте 18 лет имеют высоту 8,0 м, диаметр 9,0 см и запас 117 м3 /га.
Худшие показатели роста и продуктивности имеют культуры сосны на кварцево-глауконитовых и делювиогляциальных песках с незначительным включением черного альбского слюдистого суглинка, где в этом же возрасте сосна имеет высоту 6,6 м, диаметр 7,0 см и запас 100 м3/га.
Автором установлено, что примесь гумусированной части бывших почв, внесение азотных удобрений и посевы бобовых трав в междурядьях лесных культур влияет на повышение энергии роста сосны и создают возможность вырастить в данном регионе высокопродуктивные насаждения промышленного значения.
Кузнецкий бассейн является крупнейшим в России по запасам угля. Важное значение для оздоровления окружающей среды имеет лесная рекультивация. В условиях Кузбасса для биологического этапа рекультивации породных отвалов угольных разрезов чаще всего используется сосна обыкновенная, которая превосходит многие древесные породы по нетребовательности к почвенному плодородию и является одним из лучших фитомелиорантов отвалов. Баранник Л.П. и др. [9-13, 70] отмечают, что сосна соответствует лесорастительным условиям отвалов из глинисто-щебенистых субстратов. Она отвечает таким показателям биологической устойчивости древесных пород, как быстрота роста, засухоустойчивость, морозоустойчивость. В этих условиях корневая система сосны достигает глубины 164-182 см при высоте надземной части всего 0,5 м. Для повышения плодородия субстратов авторами рекомендуется посев донника в будущих междурядьях - 5-10 кг/га.
Посадки сосны, созданные Новокузнецким мехлесхозом на шахтных полях после добычи угля, имеют лишь защитное, санитарно-гигиеническое и эстетическое значение [123]. Исследованиями, проведенными Баранником Л.П. [14] на отвалах Байдаевского угольного разреза, установлено, что замедленный рост сосны в первые годы связан с резкими различиями экологических условий в питомниках и на лесокультурных площадях. Однако к возрасту 7 лет сосна на отвалах достигает такой же высоты как в зональных условиях.
На основании изучения степени нарушения ассимиляционного аппарата и крон у сосны обыкновенной Колмогорова Е.Ю. [75] относит посадки сосны в возрасте 20-25 лет к категории устойчивых и среднеустойчивых.
Цандекова О.Л. [200] также отмечает, что экологические условия Кузбасса, в частности Кедровского угольного разреза, благоприятны для произрастания сосны обыкновенной. Высокую устойчивость проявила сосна на отвалах без нанесения потенциально плодородного слоя. Теоретические основы биологической рекультивации техногенных ландшафтов на Урале разработаны Колесниковым Б.П., Левитом С.Я., Пикаловой Г.М., Дороненко Е.ГЦ72, 85]. Сосновые насаждения здесь создаются промышленного и лесопаркового значения. Для повышения плодородия субстратов авторы [85, 161] рекомендуют посев бобовых трав в междурядьях лесных культур.
Нанесение черноземного слоя мощностью 20-80 см на отвалы Кимовского угольного разреза позволило сформировать в этих условиях сосняки III класса бонитета. Отрицательными свойствами породно-угольных смесей являются большое содержание каменистых фракций и недостаточное увлажнение. Для условий Кузбасса доказана возможность создания чистых сосновых насаждений, причем лучшую приживаемость и прирост имеет сосна в опытах без нанесения плодородного слоя почвы [106].
Методика исследований
При работе над диссертацией использовали ГОСТы: 17.5.1.01-83. Рекультивация земель: Термины и определения [34]; 17.5.1.02-85. Классификация нарушенных земель для рекультивации [35]; 17.5.1.03-83. Классификация вскрышных и вмещающих пород для биологической рекультивации земель [36].
В процессе проведения исследований были заложены пробные площади в чистых и смешанных насаждениях сосны обыкновенной в возрасте 33-39 лет, произрастающих у основания, откосах и бермах гидроотвала Березовый лог Лебединского ГОКа КМА. Пробные площади закладывали с учетом современных требований таксации, а в опытно-производственном насаждении на трехкомпонент-ном техноземе их размер соответствовал всей площади насаждений.
Работы на пробных площадях выполняли по общепринятым методикам [107]. Сплошной перечет деревьев проводили по диаметру и высоте. Диаметр измеряли с точностью до 0,1 см на высоте 1,3 м, высоту - с точностью до 0,1 м. Ход роста в высоту изучали на основании обмера 3-5 модельных деревьев.
Биомассу модельных деревьев сосны определяли согласно рекомендациям Ремезова Н.П. [148]. Раскопку корневых систем проводили по Качинскому Н.А. [64] и Калинину М.И. [60, 61]. При оценке естественного возобновления применяли шкалу проф. Нестерова ВТ. [20]. Подрост и подлесок изучали по общепринятым в практике лесоведения и лесоводства методикам. Для этого на каждой пробной площади закладывали учетные площадки размером 5 х 5 м [29, 165].
Для изучения напочвенного покрова на каждой пробной площади закладывали по 3 учетных площадки размером 1 х 1м каждая, на которых указывали видовой состав трав, общее проективное покрытие и наименование растительной группировки [97, 155]. Обилие каждого вида определяли по шкале Друде [20. 140, 204]. На всех пробных площадях изучали строение субстратов. Выкапывали шурфы глубиной до 1,5 м или делали прикопки глубиной 50 см. Образцы субстратов или слаборазвитых почв (эмбриоземов) массой до 1 кг отбирали на глубине 0-5, 5-Ю и 10-20 см.
Плотность субстратов (почв) определяли с помощью бура Качинского, твердость - твердомером Ревякина [23, 65, 66]. Порозность субстратов определяли пикнометрическим способом по методике Качинского Н.А. [65].
В процессе камеральной обработки материалов определяли основные таксономические показатели по общепринятым в практике лесоводства и таксации методикам. Среднюю высоту и средний диаметр - методом вариационной статистики с использованием пакета прикладных программ EXCEL, STATISTICA. Были установлены: средняя величина, ошибка опыта, достоверность и точность. Выполнены однофакторный дисперсионный и корреляционно-регрессионный анализы. Бонитет определяли по бонитировочной шкале проф. Орлова М.М.; запас - по объемным таблицам [49].
Водные свойства (полевую влажность, продуктивную влагу, максимальную гигроскопичность, влагу завядания) изучали по общепринятым в практике почвоведения методикам [2, 23].
Гранулометрический и химический состав почв и субстратов определяли в Государственном центре агрохимической службы «Воронежский» согласно следующим методикам: гранулометрический состав - по Качинскому Н.А. с пипеткой Стокса, гумус - по Тюрину И.В. (ГОСТ 26213-91), рН солевой вытяжки - по-тенциометрически (ГОСТ 26483-85), общий азот - по Къельдалю И.Г. (ГОСТ 26107-84), фосфор и калий (Р205 и К20) - по Мачигину Б.П. (ГОСТ 26204-91), кальций и магний - трилонометрически (ГОСТ 26487-85) и по Гедройцу К.К. с 0,05 н НС1, гидролитическую кислотность () - по Каппену Г. (ГОСТ 26212-91) [6, 46]. 2.4 Объем исследований
В процессе проведения исследований были выполнены следующие основные виды работ: заложено 21постоянная пробная площадь и 9 временных; выкопан 21 разрез в техноземах; отобраны 189 почвенных образцов; заложено 42 площадки для изучения живого напочвенного покрова и 126 - для изучения естественного возобновления сосны.
На использованные в диссертации материалы сотрудников кафедры агролесомелиорации и почвоведения ВЛТИ, а также кафедры лесных культур, селекции и лесомелиорации ВГЛТА имеются соответствующие ссылки.
Гидрография и гидрологические условия
Добыча полезных ископаемых открытым способом предусматривает коренную трансформацию природных комплексов. Меняются рельеф местности, гидрологический режим, уничтожается растительность и животный мир. Глубинные породы, попав на поверхность земли и складируемые в отвалы, бывают токсичными для растений и животных. Огромные территории превращаются в безжизненные пространства - индустриальные пустыни.
На территории КМА нарушено около 31 тыс. га [136], ранее покрытых ценными черноземными почвами. В результате открытого способа добычи железистых кварцитов из недр земли извлечено около 2 млрд. м3 горных пород, которые отсыпаются разными способами в отвалы разной высоты и конфигурации. Независимо от происхождения отвалов, субстраты в них характеризуются отсутствием или ничтожно малым содержанием органического вещества, азота, элементов зольного питания растений, часто неблагоприятной реакцией почвенного раствора, засолением и др.
В результате открытых горных разработок и переработки железной руды в бассейне КМА происходит значительное загрязнение окружающей среды, по уровню которой этот регион занимает первое место в Черноземье. Уровень техногенной нагрузки составляет 18,7-28,3 тыс. м3/год на км2 [136].
Промышленные загрязнения приводят к накоплению в почвах природных и техногенных ландшафтов тяжелых металлов, могут вызывать изменение рН почвенного раствора, снижать содержание органического вещества и микробиологическую активность почв.
В результате запыленности в радиусе 35 км вокруг карьеров происходит снижение урожайности сельскохозяйственных культур. Ухудшается также состояние защитных насаждений, снижается прирост в высоту деревьев и кустар 53 ников, уменьшается листовая поверхность и в целом биомасса [125].
Значительный ущерб наносится при разработке месторождений железистых кварцитов водным ресурсам. Извлекается значительный объем минерализованных подземных вод, которые не могут быть использованы в хозяйственном водоснабжении и сбрасываются в гидрографическую сеть. В районе Лебединского карьера извлекается 240 тыс. м3 в сутки или 87,6 млн. м3 в год такой воды. В результате образовалась декомпрессионная воронка, в радиусе 30 км понизился уровень грунтовых вод, исчезли многие ручьи и малые реки. За счет фильтрационных потерь из хранилищ промышленных стоков загрязняются подземные воды, что ухудшает водоснабжение.
Большому антропогенному воздействию подвержены земельные ресурсы, что сопровождается рядом негативных явлений. Особо остро стоит вопрос деградации почвенного покрова под влиянием эрозионных процессов, приводящим к большим потерям гумуса, разрушению структуры почв, ухудшению их водного режима. Под влиянием смыва изменяются морфологические признаки, состав и свойства черноземов, снижается их плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур.
Наряду с ростом отрицательного антропогенного влияния на природные комплексы проводится комплекс мероприятий по его ликвидации и предупреждению. Большое значение для Белгородской области имеет рекультивация (в том числе и лесная) техногенных земель, приводящая к созданию новых антропогенных ландшафтов, не имеющих аналогов в природе [126]. Насаждения на рекультивируемых землях являются мощным средством борьбы с промышленным загрязнением и играют в этом деле многофункциональную роль: противоэрозион-ную, противодефляционную, пылеулавливающую, газопоглотительную, оздоровительную и др.
На основании изучения природно-климатических особенностей района исследований мы пришли к следующим выводам:
Белгородская область входит в состав лесостепной лесорастительной зоны. Климатическими факторами, отрицательно влияющими на рост и развитие растений, являются: поздние весенние и ранние осенние заморозки; зимние ветры и метели, способствующие образованию снеговала; высокая температура воздуха в летний период; суховеи. Выше перечисленные факторы особенно сильно проявляются на нарушенных землях. Но, несмотря на это, в целом климатические особенности района исследований вполне благоприятны для выращивания ценных лесных насаждений основных лесообразующих пород.
На всей территории Белгородской области происходят изменения окружающей среды. В результате открытой добычи полезных ископаемых сложившиеся веками природные экосистемы трансформируются в новые техногенные комплексы. В современный период преобразование старых и формирование новых биоценозов вступило в антропогенную фазу развития, и воздействие человека является решающим фактором в их эволюции.
С учетом климатических, орографических, гидрологических и растительных особенностей Белгородской области, поселение растений на отвалах Курской магнитной аномалии возможно естественным, искусственным и комбинированным путями в самых различных сочетаниях.
Характеристика агрохимических свойств субстратов в разных лесорастительных условиях
В процессе существования естественных и искусственных фитоценозов изменяются лесорастительные условия, в частности агрохимические свойства субстратов техноземов по сравнению с исходными. Известно, что реакция почвенного раствора обусловлена совместным действием водно-растворимых веществ неорганического и органического происхождения, коллоидов, кислот разной природы, а также глинными минералами. На нее влияют также корневые выделения растений и продукты метаболизма почвенных микроорганизмов, разлагающих растительные остатки. Изменения же рН, в свою очередь, также влияют на жизнедеятельность микроорганизмов. В результате изменяется соотношение скоростей минерализации и гумификации растительных остатков и, следовательно, темпов гумусонакопления.
Как видно из таблицы 3, в период формирования двухкомпонентных техноземов плодородный слой, представляющий собой смесь почвы их разных генетических горизонтов чернозема типичного, имел слабощелочную реакцию среды, рН солевой вытяжки составляло 7,2. За 39 лет роста соснового насаждения значение рН снизилось всего на 0,1, чего нельзя сказать о подстилающем песке, щелочность которого возросла на 0,5. Это объясняется неоднородностью подстилающего песка, местами представляющего собой песчано-меловую смесь. Сосновые насаждения же, как известно, подкисляют почву (субстрат). То же можно сказать и о трехкомпонентных техноземах, в которых реакция почвенного раствора под влиянием соснового насаждения за 33 года из сильнощелочной превратилась в щелочную, а погребенного суглинка - не изменилась, оставаясь слабощелочной.
Существенной разницы в рН для отдельных слоев в пределах 20-сантиметровой глубины не обнаружено (приложение 3), что позволило в дальнейшем пользоваться усредненными данными для слоя 3-20 см.
Примечание: в таблице использованы данные сотрудников кафедры лесных культур, селекции и лесомелиорации ВГЛТА Общеизвестно, что гумус - самый существенный и устойчивый показатель, отличающий почвы от горных пород. Благодаря гумусу почвы обладают специфическими свойствами, которые отсутствуют в массивно-кристаллических и слабо выражены в рыхлых осадочных породах. Большинство исследователей, занимающихся изучением процесса гумусонакопления в слаборазвитых почвах техногенных ландшафтов, указывают на быстрые темпы накопления органического вещества. Интенсивность почвообразовательного процесса обусловлена влиянием условий тепло- и влагообеспеченности, составом субстратов в искусственно созданных почвах (техноземах) и растительных сообществ.
По мнению Трофимова С.С. и др. [37] в лесных экосистемах на отвалах в техногенных ландшафтах могут наблюдаться тенденции к замедлению темпов гумусообразования и гумусонакопления. Одной из возможных причин этого процесса в слаборазвитых почвах авторы считают усиление роли древесной растительности, в частности хвойных, и ослабление роли травянистых растений. Подобный процесс возможен, когда в ходе сингенетической сукцессии на смену травянистым видам отвалы заселяются древесными растениями и особенно хвойными.
Полученные результаты не подтверждают этих высказываний. Из таблицы 3 и рисунка 6 видно, что содержание гумуса в плодородном слое, нанесенном в процессе поверхностного землевания, за 39 лет увеличилось в 1,8 раза, несмотря на то, что травянистые растения сплошь или очень обильно покрывают поверхность субстрата. В поверхностном слое песчано-меловой смеси трехкомпонент-ных техноземов, несмотря на более бедный травянистый покров, содержание гумуса увеличилось за 33 года в 5,9 раз.
Таким образом, вывод об усилении роли древесных растений и ослаблении позиций травянистых, как одной из возможных причин замедления накопления перегноя в почве, в условиях техногенных земель потерял свою актуальность. Естественный напочвенный покров на открытых пространствах в меньшей степени обогащает почву органикой, чем опад в древесных, в том числе сосновых, насаждениях.
Азот относится к основным элементам питания растений, а его содержание в почвах определяет уровень их плодородия. Аккумуляция азота в горных породах служит индикатором начавшегося почвообразовательного процесса. По мнению Тюрина И. В. содержание гумуса в почве находится в прямой зависимости от наличия азота, участвующего в его образовании, следовательно, размеры аккумуляции азота определяют и накопление гумуса. Махонина Г.И., Тихомирова Е.Б. [103] считают, что оценка запасов азота в слаборазвитых почвах техногенных ландшафтов может служить мерой их потенциального плодородия.
В первый год после отсыпки отвала содержание легкогидролизуемого азота в насыпном плодородном слое составляло 1,9 мг/100 г субстрата (таблица 3). В погребенном суглинке содержание общего азота равнялось 0,1 %. В песке и пес-чано-меловой смеси этот питательный элемент отсутствовал или были обнаружены его следы. Естественно, что в техноземах через 33-39 лет его также обнаружено мало. Увеличение количества азота зависит от успешности освоения грун-тосмесей живыми организмами. За истекший период процент общего азота в поверхностном слое увеличился, однако его содержание осталось небольшим - 0,32
Причиной разного накопления азота в техноземах служит и видовой состав растительности. В сосновых насаждениях более богатый напочвенный покров отмечается на двухкомпонентных техноземах с поверхностным плодородным слоем, где степень проективного покрытия достигает 75-100 %. Это является еще одной из причин более высоких запасов азота в метровом корнеобитаемом слое (таблица 3).
Более высокое содержание азота отмечается в поверхностном слое технозе-мов до глубины 10 см.
Фосфор, в больших количествах поглощаясь растениями, аккумулируется в верхней части профиля, что и подтверждается исследованиями Накарякова А.В. и Трофимова С.С. [114]. На наших опытных объектах его содержание резко падает уже на глубине 10 см (приложение 3).
В период формирования техноземов субстраты характеризовались невысоким содержанием фосфора в поверхностном слое. - 0,40-1,00 мг/кг. Фитоценозы оказывают существенное влияние на его накопление. Под насаждением с богатым напочвенным покровом на двухкомпонентных техноземах его содержание увеличилось в 57 раз за 39 лет, тогда как на песчано-меловой смеси, которая слабо зарастает травянистой растительностью - всего в 1,4 раза за 33 года (таблица 3, рисунок 7). 2 - под 33-39-летними сосновыми насаждениями Калий очень активный водный мигрант, поэтому калия много поступает из нижних слоев к поверхности, но здесь он прочно не закрепляется, излишки его снова быстро мигрируют вниз по профилю. Установлена высокая аккумуляция обменного калия в двухкомпонентных техноземах с поверхностным плодородным слоем в связи с тем, что травянистая растительность, сплошь или очень обильно покрывающая поверхность, аккумулирует калия больше по сравнению с древесными породами [114]. Это подтверждается только в том случае, если напочвенный покров находится в хорошем состоянии, и степень его проективного покрытия достигает 80-100 %. В этом случае отмечается максимальное содержание калия в поверхностном слое техноземов 152,33 мг/кг (таблица 3, рисунок 8). За 39 лет содержание этого элемента возросло в 14,8 раз, чего нельзя сказать о трех-компонентных техноземах с погребенным плодородным слоем.
