Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОПЫТ РЕШЬТИВАЦИМ ЗЕМЕЛЬ В СССР И ЗАРУБЕКОМ 14
1.1. Рекультивэдия земель в зарубежных странах 14
1.2. Рекультивация земель в СССР 23
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА. И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИИ
2.1. Природные условия района исследовании 31
2.1.1. Геолого-геоморфологнческие условия 33
2.1.2. Особенности условии увлажнения 37
2.1.3. Климат 38
2.1.4. Растительность 39
2.1.5. Почвы 40
2.1.6. Нарушенные земли и задачи рекультивации в Подмосковном бассейне 41
2.2. Программа к методика исследований 47
2.3. Метеорологические условия в годы исследований 60
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ СУЛШИДСОДЕРШЩ ПОРОД НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕРЛИ
3.1. Влияние продуктов водной эрозии отвалов с сульфидеодержащими породами на окружающую среду 64
3.2. Особенности роста и развития растений в зависимости от процентного содержания
сульфидеодержащих пород в почве в экспериментальных условиях 69
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТВМОВ С СУШЩСОДЕРШЩЖ ПОРОДАМИ 76
4.1. Разработка приемов мелиорации и повышения плодородия гумусировалного почвенного слоя, нанесенного непосредственно на сульфидеодержати е породы / .опыт 78
4.2. Экранирование сульфидеодержащих пород четвертичным карбонатным суглинком 87
4.2.1. Определение оптимальной мощности рекуль-тивационыого слоя, состоящего из четвертичных карбонатных суглинков и гумусиро-ванного почвенного слоя /опыт 2/ 87
4.2.2. Изучение возможности выращивания сельскохозяйственных культур при нанесении на экран из суглинка разной мощности гуму-сированного почвенного слоя и без его нанесения /опыт 3/ 92
4.2.3. Определение продуктивности севооборотов в зависимости от вариантов технической подготовки рекультивируемых земель /опыт 3/ 102
4.3. Мелиорация сульфидсодержащих пород высокими нормами извести 105
4.3.1. Подбор многолетних трав для залуження сульфидеодержащих пород, промелиориро-ванных высокими нормами извести /опыт 4/ 107
4.3.2. Изучение влияния внесения различных норм и сочетаний удобрений на продуктивность сельскохозяйственных культур на произвесткованных сульфиде одержащих породах НО
4.4. Мелиорация сульфидеодержащих пород карбонатным суглинком /опыт 6/ 115
4.4.1. Динамика развития растений на промелиори-рованных породах в зависимости от норм суглинка 115
4.4.2. Роль удобрении в повышении продуктивности сельскохозяйственных культур при мелиорации сульошдсодержащих пород карбонатным суглинком 116
4.5. Влияние методов рекультивации на качество
урожая сельскохозяйственных кз^льтур 126
ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИХ И АІРОХИЇЖЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ СЕЛЬСКО ХОЗЯЙСТВЕННОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ 129
5.1. Агрофизические свойства вскрышных пород 129
5.1.1. Механический состав вскрышных пород 129
5.1.2. Плотность сложения рекультивационного слоя и ее изменение в процессе биологического этапа рекультивации 133
5.1.3. Влагообеспеченность растений на рекультивированных землях ж особенности распределения корневых систем в рекульти-вационном слое 135
5.2. Накопление гумуса и азота в четвертичных суглинках в процессе сельскохозяйственной
рекультивации 140
ГЛАВА 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЗОЮЕКТИВНОСТЬ ИССЛЕДОВАННЫХ МЕТОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ РЕКУЛЪТИВАЦЖ 148
ВЫВОДЫ 159
ПРЕДЛОІІЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 162
СПИС(Ж:"ЙШ0ЛЬ30ВАНН0Й ЛИТЕРАТУРЫ 163
ПРИЛОЖИМ
- Рекультивэдия земель в зарубежных странах
- Природные условия района исследовании
- Влияние продуктов водной эрозии отвалов с сульфидеодержащими породами на окружающую среду
- Разработка приемов мелиорации и повышения плодородия гумусировалного почвенного слоя, нанесенного непосредственно на сульфидеодержати е породы / .опыт
- Агрофизические свойства вскрышных пород
Рекультивэдия земель в зарубежных странах
Первые письменные свидетельства о рекультивации земель в Германии относятся к 1784 г. /Брюнинг, 1970/. В 1923 г. в районе Рейнского каменноугольного бассейна из 300 тыс.га земель, пришедших в негодное состояние, были подвергнуты рекультивации 242 га, в 1930 г. - 810 га, в 1953 г. - 1700 га. На большой территории отвалов были заложены леса из акации, сосны и других древесных пород. С 1958 г. здесь осуществлялась сельскохозяйственная рекультивация /кпаЪе, 1959/. В 1964 г. было рекультивировано 7 тыс.га земель этого бассейна, из них 1,5 тыс.га заняты сельскохозяйственными культурами, 3,4 тыс.га озеленены, 170 га выделены под дорожное строительство и на небольшой площади созданы оздоровительные зоны /кпаЬе, 1964; Bauer, 1970/. К 1970 г. в ГДР восстановлено более 40/ нарушенных земель /Колядный, 1972/. К 1975 г. было рекультивировано и возвращено сельскому хозяйству 50,5 тыс. га /Вернер, 1979/. Ежегодное нарушение площадей при открытых разработках составляет около 3 тыс.га. К 1979 г. было нарушено 104,3 тыс.га /Вернер, 1980/.
В 60-х годах в ГДР была разработана программа почвенно-мелиоративных мероприятий, которая включала: инвентаризацию отвалов; почвенно-геологические и агрономические опытные исследования по улучшению вскрышных пород; использование промышленных и бытовых отходов наряду с применением минеральных удобрений; петрографические, почвенно-минералогические и химические исследования вскрышных пород; закладку полевых опытов с целью выяснения влияния почвенно-мелиоративных мероприятий; исследования пригодности различных машин и оборудования для проведения почвенно-мелиоративных мероприятий. Установлено, что оптимальная глубина мелиорации третичных пород 60 см /BrQning, 1965/.
К территориям, предназначенным для использования в сельском хозяйстве, в ГДР предъявляются следующие требования: поверхность отвала должна иметь небольшой уклон для стока поверхностных вод во избежание переувлажнения и находиться выше уровня грунтовых вод и т.д. /Вернер, 1970/.
Для обогащения грунта органическим веществом большую роль играет доля остающихся в грунте пожнивных остатков, в частности, корневой массы. Поэтому для освоения рекультивируемых земель особенно рекомендуется выращивание люцерны совместно со злаковыми травами. От выращивания пропашных культур, таких как сахарная свекла и картофель, рекомендуется отказаться, так как в этом случае грунт обедняется гумусом. При окультуривании площадей отвалов путем интенсивного выращивания люцерны при внесении высоких доз гжнеральных удобрений и глубокой обработке поверхностного слоя происходит быстрое освоение грунта, и в течение 15-20 лет формируется новая почва, дающая высокие и стабильные урожаи /Вернер, 1976/.
Природные условия района исследовании
Территория Подмосковного бассейна занимает ряд центральных и западных областей Европейской части РСФСР: Новгородскую, Калининскую, Московскую, Смоленскую, Рязанскую, Тульскую и Калужскую /рис.1/ /Подмосковный угольный бассейн, 1967/.
По экономическим условиям и географическому положению площадь бассейна условно подразделена на западное и южное крыло, граница между которыми проводится несколько севернее линии Смоленск-Москва.
Большинство промышленных центров бассейна находятся на территории южного крыла: Тула, Калуга, Новомосковск, Щекино, Узловая, Донской, Кимовск, Богородицк, Болохово, Дедилово, Скопин.
Южное крыло бассейна по своему развитию и значению является частью центрального промышленного района страны, издавна густонаселенного /плотность населения достигает 50-60 человек на I кв.км/. Богатые недра ее способствовали развитию крупной промышленности: угольной, горнорудной, металлургической, металлообрабатывающей, химической. Промышленная разработка бурого угля в бассейне ведется около 130 лет /с 1855 г./. В Тульской области добывается примерно 96/э всего угля. На территории бассейна выделяются 12 угленосных районов: Сафоново-Вяземский /общая площадь 21 тыс.кв.км/, Калуж-ско-Сухиничский /площадь 22 тыс.кв.км/, Центральный промышленный /площадь 4,2 тыс.кв.км/, Кораблинский /площадь 17,3
Подмосковный утолышй бассейн. М.: Недра, 1967/ Условные знаки: о - места стационарных исследований тыс.кв.км/ и другие.
В Подмосковном бассейне на протяжении 100 лет разработка угольных месторождений велась только подземным способом. Первый разрез открытой добычи начал работать в 1957 г. в Ки-мовском районе Тульской области. Сейчас в области работают Кимовский, Ушаковский, Западно-Богородицкий и Восточно-Грызловский угольные разрезы. Все они находятся на территории Центрального промышленного района южного крьша бассейна. Об - 33 -щая добыча угля открытым способом составляет 3,5 млн.т в год.
Месторождения бурого угля приурочены к отложениям нижнего карбона, распространены преимущественно в песках и глинах бобриковского горизонта.
По физико-географическому районированию Центральный промышленный район относится к провинции Лесостепи расчлененной Среднерусской возвышенности /Лесостепь и степь Русской равнины, 1956; Мильков, 1952/.
По схеме геоботанического районирования, предложенной К.В.Зворыкиным /физико-географическое районирование Нечерноземного центра, 1963/, Кимовский и Узловский районы Тульской области входят в Доно-Табольский район лесостепной провинции Среднерусской возвышенности лесостепной зоны, для которого характерно сочетание значительных по площади междуречных пространств, сложенных четвертичными покровными и лессовидными суглинками, залегающими на юрских и песчано-глинистых меловых отложениях, с речными долинами, узкими с крутыми поворотами и попеременной асимметрией склонов.
Влияние продуктов водной эрозии отвалов с сульфидеодержащими породами на окружающую среду
В процессе открытой добычи полезных ископаемых на больших площадях формируются отвалы вскрышных пород, нередко содержащие значительные примеси элементов, токсичных для растений и животных. Таким образом нарушенные земли не только выбывают из хозяйственного использования, но и становятся очагами загрязнения и отрицательного влияния на окружающие территории. Площади земель, подверженных воздействию промышленных разработок, часто во много раз превышают площадь самого источника загрязнения.
Среди многих направлений воздействия открытых промышленных разработок на окружающие территории большое место занимает водная и ветровая эрозия отвалов. Результаты ветровой эрозии отвалов на KIvIA и ее влияния на окружающую среду рассмотрены в работах специалистов Воронежского лесотехнического института под руководством И.В.Трещевского /Трещевскжй, Панков, IS73; Панков, 1973/. Действие водной эрозии нашло отражение в работах специалистов Курского СІИ под руководством А.М.Бурыкина /Бурыкин, 1973, 1976, 1982/.
Интенсивная эрозия наблюдается и на отвалах открытых разработок в Подмосковном бассейне, особенно на отвалах бу-роугольных карьеров. Наличие фитотоксичных сульйидсодержащих пород на поверхности отвалов является причиной их слабого зарастания, что приводит к развитию сильной водной и ветровой эрозии и загрязнению продуктами ее выноса прилегающих к отвалaivi т ерриторий.
С целью выявления характера воздействия продуктов водной эрозии и возможности количественного выражения ущерба, наносимого сельскохозяйственным угодьям в Тульской области, в 1974-75 гг. проводилось изучение влияния эрозионных наносов на развитие сельскохозяйственных культур и состав почвы на прилегающих к отвалам полях.
Объектами исследований являлись I и 2 участки Кимовско-го углеразреза /возраст отвалов соответственно 14-16 и 12-13 лет/ и прилегающие к ним поля.
В IS74 г. были заложены почвенные разрезы на пашне, примыкающей к отвалам на 2 участке Кимовского углеразреза. Здесь же определялась урожайность зерна овса. Почвенные исследования проводились А.И.Савичем. Результаты анализов и данные по урожайности зерна овса представлены в прил.Ш.
Как видно из приложения Ш, в разрезах I и 2 кислотность и содержание алюминия выше по сравнению с данными контроля. Здесь наблюдается полное отсутствие культуры овса или его сильно ослабленное состояние /урожайность 0,3 ц/с I га/.
Б разрезах 5 и 6 кислотность и содержание алюминия несколько ниже, чем в разрезах I и 2, но выше, чем в контроле. Так, в разрезе 7, заложенном на контрольном почве, в слое 0-20 см PHJ QJ 5,2, содержание сульфат-иона 0,2 мг-экв на 100 г почвы, урожайность зерна овса 15,7 ц/га, в то время как в разрезе 5 соответственно 3,4; 1,5 и 59,1 мг на 100 г почвы алюминия, урожайность 4,8 ц/га.
Разработка приемов мелиорации и повышения плодородия гумусировалного почвенного слоя, нанесенного непосредственно на сульфидеодержати е породы / .опыт
Как указывалось выше, освоение для сельскохозяйственных целей отвалов с сульуидсодержащими породами представляет особую сложность. Зто обусловлено высокой кислотностью пород и большим содержанием подвижного алюминия и железа в субстрате.
В литературе имеются данные по отрицательному воздействию на жизнедеятельность растений и микроорганизмов повышенной актуальной кислотности и подвижного алюминия /мещеряков, 1937; Голубев, Скурихина, 1940; Петербургский, 1945; Ратнер, 1946; Дьякова, 1952; Авдонин, 1965/.
При высокой кислотности почвы и наличии подвижного алюминия выше критических значений /18 мг на 100 г почвы/ озимые посевы, имеющие осенью крепкие и здоровые всходы, не переносят зиму и весной выпадают /Авдонин, 1956/.
Избыток подвижного железа затрудняет поступление питательных, веществ в растения /Ыещеряков, I960/ и нередко приводит к образованию капсул вокруг корешков, что также уменьшает поглощение растениями минеральных веществ /Лавров, 1957/.
На поверхности отвалов с сульфидеодержащими породами в Подмосковном бассейне все эти показатели значительно превышены, и условия для произрастания растений еще более сложные.
Одним из первых методов освоения отвалов с сульйидс одержащими породами, проводившееся без достаточного научного обоснования, было нанесение непосредственно на сульождсодер-жащие породы гумусированного почвенного слоя. Поскольку урожайность на таких рекультивированных участках была низкой, встал вопрос о разработке методов повышения их плодородия.
С этой целью был заложен опыт на участке Ушаковского углеразреза, где рекультивация проводилась путем нанесения гумусированного почвенного слоя непосредственно на сульсоид-содержащие породы, а рекультивированное поле было передано колхозу им.С.М.Кирова с целью хозяйственного освоения. Исследованиями установлено, что подстилающая почвенный слой токсичная сульфидеодержащая порода характеризовалась высокой кислотностью /р%пт 2,0-2,8/, обменная кислотность варьировала от 10,2 до 21,7 мг-экв на 100 г породы, подвижный алюминий содержался в количествах 36,5-85,0 мг на 100 г породы, содержание железа достигало 165,2 мг на 100 г породы /Чекли-на, 1973/.
В нанесенном гумусированном почвенном слое при взаимодействии с подстилающей токсичной породой изменилась кислотность от рН 6,7-7,0 до рН 2,3-4,3 в нижней его части /Ижевская, Чеклина, 1972/. Обменная кислотность увеличилась с 0,05 мг-экв на 100 г в зональной почве до 24,5 мг-экв на 100 г в нанесенном гумусированном слое, прилегающем к токсичной породе. Содержание ионов водорода достигло величины 12,8 мг-экв, а ионов алюминия - 23,3 мг-экв на 100 г почвы.
Агрофизические свойства вскрышных пород
Как известно, механический состав почв и пород играет огромную роль в определении их агрономической ценности. С механическим составом тесно связаны физические и химические свойства, которые в значительной мере оказывают влияние на плодородие почв и пород. Наличие и количественное соотношение различных фракции зависит от петрогрзИю-шнералогическо-го состава твердой пазы почвы, интенсивности выветривания горных пород /Роде, Смирнов, 1972; Антипов-Каратаев, 1948; Качинский, 1958, 1970;Антипов-Каратаев и Цурюпа, 1963 и др./, содержания органических, механических элементов и органо-ми-неральных соединений или гуматов /Тюрин, 1937, 1949; Кононова, 1951, 1956, 1963; Геммерлинг, 1952; Хэл, 1969 и др./.
Существуют различные методы определения механического состава осадочных пород и почв /ситовый анализ песков, механический анализ почв в струе воздуха, в текучей воде, в стоячей воде, способом отмучивания и др./, подробно описанные в работах Н.А.Качинского /1958/, С.В.Астапова /1958/, А.Ф.Ва-дюниной и З.А.Корчагиной /1973/ и др. В наших исследованиях определение механического состава проводилось по Н.А.Качин- -скому. При выполнении работ и оценке полученных результатов применялась классификация Н.А.Качинского /1970/.
Как видно из прилДУЛ»насыпной гумусированкый слой почвы, нанесенный на лессовидный суглинок, почти не отличался по механическому составу от ненарушенного выщелоченного чернозема. Например, как в зональных почвах в механическом составе на первом месте стоит фракция 0,05-0,01 мм, так и в насыпном гумусированном слое /опыт 3/ преобладает эта фраіщия, составляющая 35,5,. Здесь же илистая фракция / 0,001 мм/ составляет 29,2,1, суша частиц 0,01 мм равняется 51,9 . Согласно классификации Ы.А.Качинекого механический состав насыпного гумусированного слоя можно определить как тяжелосу-глинистый зловато-крупнопылеватый.
В лессовидных суглинках на опытном поле 3, нанесенных на смесь сульфидеодержащих пород, на первом месте в механическом составе находится песок /0,1-0,05 мы/ - 43,2/J /рис.10, прил.ХУЛ/.Преобладание песчаных частиц снижает поглотительную способность, ухудшает водный режим. Содержание илистой фракции в лессовидных суглинках в сравнении с насыпным гуму-сированным слоем меньше и составляет 24,9р. Содержание "физической глины" / 0,01 мм/ составляет 40,05, что позволяет отнести лессовидные суглинки к среднесуглшшетому иловато-песчаному механическому составу.
